FUNKCIONALNO GUSTE RELACIONE ALGEBRE

Transcript

1 UNIVERZITET U NOVOM SADU PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET DEPARTMAN ZA MATEMATIKU I INFORMATIKU Ivan Prokić FUNKCIONALNO GUSTE RELACIONE ALGEBRE -master teza- Novi Sad, 2014

2 Sadržaj Predgovor 1 1 Uvod Mreže i reprezentabilnost distributivnih mreža Booleove algebre i njihova reprezentabilnost 8 2 Relacione algebre Pojam relacione algebre Booleove algebre sa operatorima Neki specijalni elementi relacionih algebri 26 3 Reprezentacija relacionih algebri Definicija reprezentacije relacionih algebri Reprezentacija atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima 37 4 Funkcionalno guste relacione algebre Reprezentabilnost funkcionalno gustih relacionih algebri Teorema o dekompoziciji funkcionalno gustih relacionih algebri Opis atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima Alternativni opis atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima Funkcionalno guste relacione algebre bez atoma Funkcionalno guste relacione algebre sa Booleovom algebrom idealnih elemenata bez atoma 56 5 Zaključak 59 Literatura 61 Biografija 63

3 Predgovor Iz proučavanja osobina binarnih relacija nastale su relacione algebre. Alfred Tarski je prvi koji je napravio odabir najvažnijih osobina koje važe za sve binarne relacije na proizvoljnim skupovima. On je godine, odabirajući neke osobine za aksiome, uveo pojam relacione algebre. Sistem aksioma koje je Tarski predložio za opisivanje relacionih algebri biće osnovno polazište i u ovom radu. Problemi reprezentacije u matematici su u suštini problemi jačine aksiomatskog sistema. Konkretno, u slučaju sistema aksioma relacione algebre problem reprezentacije glasi: da li je svaki algebarski sistem koji zadovoljava predložene aksiome neka od algebri binarnih relacija? Tarski je mislio da je odgovor pozitivan, sve dok američki matematičar Lyndon nije uspeo da konstruiše algebru koja zadovoljava sve aksiome Tarskog, ali nije izomorfna ni jednoj algebri binarnih relacija. Takva algebra se naziva nereprezentabilna relaciona algebra. Jónsson i Tarski [10] su pokazali da je svaka (apstraktna) atomična relaciona algebra sa funkcionalnim atomima reprezentabilna kao algebra binarnih relacija. Oni su izveli zaključak da svaka relaciona algebra u kojoj je jedinica suma konačno mnogo funkcionalnih elemenata reprezentabilna kao algebra binarnih relacija. Tarski je postavio pitanje da li reprezentabilnost važi i za svaku funkcionalno gustu relacionu algebru, to jest svaku relacionu algebru u kojoj je 1 supremum nekog (konačnog ili beskonačnog) skupa funkcionalnih elemenata. Potvrdan odgovor na ovo pitanje dali su Maddux i Tarski [14] i [13]. Jónsson i Tarski su dali svoj opis za sve kompletne i atomične relacione algebre sa funkcionalnim elementima, koristeći algebre kompleksa aksiomatski definisanog generalizovanog Brandtovog grupoida. Specijalno, dokazali su da je prosta relaciona algebra kompletna i atomična ako i samo ako je izomorfna algebri kompleksa Brandtovog grupoida. U ovom radu predstavljen je drugačiji dokaz teoreme reprezentacije Maddux- Tarskog, koji je bliži originalnom dokazu teoreme reprezentacije Jónssona i Tarskog, a takod e i standardnoj Cayley-evoj teoremi reprezentacije za grupe. Potom će biti pokazano da je funkcionalno gusta relaciona algebra koja je prosta ili atomična ili bez atoma. Iz toga ćemo imati da se kompletizacija svake funkcionalno guste relacione algebre može dekomponovati na direktan proizvod B C gde je: B direktan proizvod prostih, funkcionalno gustih relacionih algebri od kojih je svaka ili atomična ili bez atoma, a C je ili trivijalna (jednoelementna) ili je netrivijalna funkcionalno gusta relaciona algebra koja je bez atoma i nema prostih faktora, zato što je njena Booleova algebra idealnih elemenata bez atoma. U uvodnom delu, pored definicija i osnovnih osobina za mreže i Booleove algebre, dati su i dokazi teorema o reprezentabilnosti distributivnih mreža i Booleovih algebri. Ovo poglavlje se najviše oslanja na knjigu Bulove algebre i 1

4 funkcije [17]. Drugo poglavlje počinje sa definicijom i aritmetikom relacionih algebri. U nastavku drugog poglavlja definisane su Booleove algebre sa operatorima, a zatim i neki specijalni elementi relacionih algebri koji će biti neophodni za dalju diskusiju. Ovaj deo rada najvećim delom se oslanja na knjigu Relacione algebre [12], kao i na rad Functionally dense relation algebras [1]. Treće poglavlje sadrži definiciju reprezentabilnosti za relacione algebre. U ovom delu rada, pored teoreme o reprezentabilnosti atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima, dat je i primer nereprezentabilne relacione algebre. Poslednje poglavlje je posvećeno funkcionalno gustim relacionim algebrama. U ovom delu rada data je teorema o reprezentabilnosti funkcionalno gustih relacionih algebri, kao i razni opisi za funkcionalno guste realcione algebre, i to: prvo za one sa funkcionalnim atomima, zatim za one koje su bez atoma i na kraju za one čija je Booleova algebra idealnih elemenata bez atoma. Treće i četvrto poglavlje se takod e najvećim delom oslanjaju na rad Functionally dense relation algebras [1]. 2 Na kraju želim da izrazim zahvalnost svom mentoru, dr Rozáliji Madarász Szilágyi, kako na odabiru ovako zanimljive teme, tako i na ažurnosti i svesrdnoj pomoći. Zahvalnost dugujem i dr Ivici Bošnjaku, na korisnim savetima, kao i dr Siniši Crvenkoviću. Ivan Prokić

5 Glava 1 Uvod 1.1 Mreže i reprezentabilnost distributivnih mreža Da bismo došli do pojma relacione algebre najpre ćemo se upoznati sa pojmom mreže, a potom i Booleove algebre. Definicija 1.1 Mreža je ured en skup L = (L, ) u kome za svaka dva elementa a i b postoji inf{a, b} i sup{a, b}. Napomenimo da infimum praznog skupa postoji u L ako i samo ako u L postoji najveći element, i taj infimum jednak je najvećem elementu. Analogno, supremum praznog skupa postoji ako i samo ako u L postoji najmanji element, i supremum je jednak najmanjem elementu. Tvrd enje 1.2 Ako je (L, ) mreža, onda za svaki konačan podskup M skupa L postoje inf M i sup M. Dokaz. Dokaz izvodimo indukcijom po broju elemenata u skupu M. Ako je M = {a}, onda je inf M = sup M = a. Ako M ima dva elementa onda infimum i supremum postoje po pretpostavci. Dalje, neka je M = {a 1,..., a n } i p = inf M. Ako je b L, onda, budući da je L mreža, inf(m {b}) = inf{p, b}, što se neposredno proverava. Po indukciji, svaki konačan podskup od L tako ima infimum. Dokaz da postoje i supremumi je analogan. Definicija 1.3 Kompletna mreža je ured eni skup u kome svaki podskup ima infimum i supremum. Dakle, u kompletnoj mreži svaki podskup ima infimum i supremum, uključujući prazan skup i sam skup L. Infimum i supremum skupa L su, respektivno, najmanji 0 i najveći element 1. Isto važi i za prazan skup, samo u obrnutom redosledu: inf(ø) = 1 i sup(ø) = 0. Definicija 1.4 Mreža je ograničena, ako je ograničena kao ured en skup, to jest ako poseduje najmanji element 0 i najveći 1. Posledica 1.5 Svaka kompletna mreža je ograničena (odnosno ima najmanji i najveći element). 3

6 4 Kao posledica tvrd enja 1.2 za konačne mreže važi sledeće tvrd enje. Posledica 1.6 Svaka konačna mreža je kompletna i ograničena. Primer Svi skupovi brojeva, od prirodnih do realnih, jesu mreže u odnosu na poredak, jer u tim ured enim skupovima inf{a, b} = min{a, b}, a sup{a, b} = max{a, b}, pa infimum i supremum za dvoelementni skup uvek postoje. U odnosu na kompletnost, navedene mreže brojeva se razlikuju. Skup R realnih brojeva u odnosu na nije potpuna mreža, ali se lako kompletira dodavanjem najmanjeg, i najvećeg elementa, i definiše se tako da x za sve x R. Takvo kompletiranje ne daje rezultat u slučaju skupa Q racionalnih brojeva jer i dalje skup {x Q, x 2 < 2} kao ni slični, analogno konstruisani skupovi, nema ni infimum ni supremum, a ima i donja i gornja ograničenja. 2. Lanac je linearno ured en skup (P, ), to jest svaka dva elementa x, y su uporedivi x y ili y x. Svaki lanac je mreža: inf{a, b} = min{a, b}, a sup{a, b} = max{a, b}, 3. Partitivni skup P (A), za neki neprazan skup A, je kompletna mreža u odnosu na inkluziju, jer je infimum svake kolekcije skupova njen presek, a supremum unija. 4. Ured eni skup (N, ) je mreža, jer je inf{a, b} = NZD{a, b}, a sup{a, b} = NZS{a, b}. Ova mreža nije kompletna (dovoljno je samo primetiti da nije ograničena). 5. Neka je (G,, 1, ι) grupa i sa Sub(G) označimo familiju svih podgrupa grupe G. Tada je parcijalno ured eni skup (Sub(G), ) (gde je skupovna inkluzija) mreža (mreža podgrupa), jer je za H, K podgrupe grupe G, inf{h, K} = H K, sup{h, K} = H K = {M Sub(G) : H K M}. Presek svake familije podgrupa je ponovo podgrupa date grupe G, pa infimum postoji u datom parcijalno ured enom skupu. Ova mreža je kompletna. 6. Ponovo posmatramo grupu (G,, 1, ι) i sa N (G) označimo skup svih normalnih podgrupa grupe G. Tada je parcijalno ured eni skup (N (G), ) mreža (mreža normalnih podgrupa), jer je za H, K podgrupe grupe G, inf{h, K} = H K, sup{h, K} = H K = {h k : h H, k K}.

7 Definicija 1.8 Neka je (L ) mreža sa najmanjim elementom, 0. Element a iz L se naziva atom ako važi a 0 i ako postoji b takvo da (0 b a), onda je b = 0 ili b = a. Kaže se da a pokriva 0. Skup svih atoma L označavamo sa At(L). Definicija 1.9 Mreža sa najmanjim elementom (0), je atomična ako za svaki nenula element s postoji atom a takav da je a s. Primer U (P (A), ), gde je A neprazan skup, atomi su jednočlani skupovi. Dakle, ova mreža je atomična jer za svaki neprazan podskup B skupa A postoji atom {b} B, jer je B neprazan. 2. U (N, ) jedini atom je 1, a u (N, ) atomi su prosti brojevi. Obe ove mreže su atomične. 3. Svaka konačna mreža je atomična. 4. Mreža ([0, 1], ) nema atoma, pa nije ni atomična. Mreže možemo definisati i na drugi način, kao algebarsku strukturu. Definicija 1.11 Mreža je algebra L = (L, +, ), gde važe sledeći identiteti: r + s = s + r, r s = s r (komutativnost), r + (s + t) = (r + s) + t, r (s t) = (r s) t (asocijativnost), r = r + (r s), r = r (r + s) (apsorptivnost), r + r = r, r r = r (idempotentnost). Definicija 1.12 Mreža je modularna ako važi: (r s) + (s t) = s ((r s) + t) (modularnost). Mreža je distributivna ako zadovoljava: r (s + t) = (r s) + (r t), r + (s t) = (r + s) (r + t) (distributivnost). Sledeća teorema pokazuje da su dve definicije mreže zapravo ekvivalentne. Teorema 1.13 Ako je (L, ) mreža definisana kao ured en skup, u smislu definicije 1.1, tada su sa r + s = sup({r, s}) i r s = inf({r, s}) definisane operacije + i tako da je (L, +, ) mreža definisana kao algebarska struktura, u smislu definicije 1.11 i da je zadovoljeno: r s akko r + s = s. Ako je (L, +, ) mreža definisana kao algebarska struktura, u smislu definicije 1.11, tada je sa r s akko r + s = s definisano parcijalno ured enje na L, tako da je (L, ) mreža, u smislu definicije 1.1, i važi sup({r, s}) = r + s i inf({r, s}) = r s. 5

8 Dokaz. Neka je (L, ) mreža definisana na prvi način. Dokazujemo da za definisane operacije važe komutativnost, asocijativnost, apsorpcija i idemopotentnost. Komutativnost sledi neposredno iz definicije infimuma i supremuma skupa (redosled elemenata nije svojstvo skupa). Asocijativnost je tačna, jer se obe strane jednakosti odnose na isti skup {r, s, t}. Takod e važi apsorpcija, jer za sve r, s L imamo r = sup({r, inf({r, s})}), odnosno r = inf({r, sup({r, s})}), jer je inf({r, s}) r odnosno r sup({r, s}). Idempotentnost važi, jer je jasno da se infimum i supremum jednoelementnog skupa poklapaju sa tim elementom. Treba još dokazati da važi r s akko r + s = s. Ta ekvivalencija je tačna, jer za sve r, s L važi r s akko sup({r, s}) = s. Neka je sada (L, +, ) mreža definisana na drugi način. Uočimo prvo da je uslov r + s = s ekvivalentan sa uslovom r s = r. To sledi iz zbog apsorpcije. Isto tako r + s = s r s = r (r + s) = r, r s = r r + s = r s + r = r, takod e zbog apsorpcije. Relacija, definisana sa r s akko r + s = r, je relacija parcijalnog ured enja: za sve r, s, t L imamo r r jer je r + r = r, dakle važi refleksivnost. Antisimetričnost dobijamo iz (r s i s r) (r + s = s i s + r = r) r = s, zbog komutativnosti. Za dokaz tranzitivnosti posmatrajmo Odatle imamo da je (r s i r t) (r + s = s i s + t = t) r + t = r + (s + t). r + (s + t) = (r + s) + t = s + t = t, što znači da je r t. Dobili smo da je (L, ) parcijalno ured en skup. Ostaje još da se dokaže sup({r, s}) = r + s i inf({r, s}) = r s. Imamo r r + s i s r + s, jer je r + (r + s) = r + s i s + (r + s) = r + s. Dalje, ako je r t i s t sledi r + s t jer je (r t i s t) r + t = t i s + t = t r + t + s + t = t (r + s) + t = t r + s t. 6

9 7 Slično kao za zbir, r s r i r s s. Ako uzmemo r t i s t dobijamo t r = t i t s = t t r t s = t t t (r s) = t t r s, čime je dokaz kompletiran. Primer Operacije supremuma i infimuma, koje se na partitivnom skupu proizvoljnog nepraznog skupa A izvode iz relacije inkluzije su redom presek i unija. Odgovarajuća algebarska struktura je (P (A),, ). 2. Za mrežu (N, ) operacije infimuma i supremuma su definisane sa inf{a, b} = NZD{a, b}, a sup{a, b} = NZS{a, b}, pa je odgovarajuća algebarska struktura (N, NZS, NZD). 3. Za mrežu (Sub(G), ), odgovarajuća algebarska struktura je (Sub(G),, ). Da bismo dokazali teoremu Birkhoff-Stone o reprezentabilnosti distributivnih mreža, moramo uvesti pojam prostog ideala i izomorfizma za mreže. Definicija 1.15 Ideal u mreži L je njen neprazan podskup I koji ispunjava uslove 1. iz r, s I sledi r + s I; 2. iz r I i a r sledi a I. Ideal I u mreži L je prost, ako za r, s L, iz r s I sledi r I ili s I. Definicija 1.16 Homomorfizam iz mreže (L, +, ) u mrežu (M, +, ) je funkcija ϕ iz L u M koja je saglasna sa operacijama + i : ako su x i y iz L, onda je ϕ(x + y) = ϕ(x) + ϕ(y) i ϕ(x y) = ϕ(x) ϕ(y). Ako je homomorfizam ϕ bijekcija, on se zove izomorfizam. Teorema 1.17 [Birkhoff, Stone] Svaka distributivna mreža izomorfna je sa podmrežom partitivnog skupa P (A), za neki skup A. Dokaz. Neka je A skup prostih ideala distributivne mreže L. Ti ideali postoje (videti [17], zadatak 1.49.). Definišimo preslikavanje ϕ iz L u P (A) sa ϕ(x) = {P A : x / P }. Pokažimo da je ϕ injekcija saglasna sa operacijama u L. ϕ je injekcija, jer za različite x i y u L postoje različiti prosti ideali koji ih sadrže. To važi jer za dva različita elementa distributivne mreže postoji prost ideal u njoj koji sadrži tačno jedan od ta dva elementa (videti [17], zadatak 1.49.). Zbog toga su različite i slike ϕ(x) i ϕ(y). Saglasnost sa operacijom sledi iz ϕ(x y) = {P A : x y / P } = {P A : x / P i y / P } = {P A : x / P } {P A : y / P } = ϕ(x) ϕ(y).

10 Ovo važi zbog implikacije x y / P povlači x / P i y / P, jer je P ideal, kao i zbog obrata koji je tačan jer je P prost ideal. Saglasnost sa operacijom + sledi iz ϕ(x + y) = {P A : x + y / P } = {P A : x / P ili y / P } = {P A : x / P } {P A : y / P } = ϕ(x) ϕ(y). 1.2 Booleove algebre i njihova reprezentabilnost Definicija 1.18 Booleova algebra je algebra B = (B, +,,, 0, 1) koja zadovoljava sledeće aksiome: (B, +, ) je distributivna mreža, 8 i za svako r iz B važi r 0 = 0, r + 1 = 1, r ( r) = 0, r + ( r) = 1. Unarna operacija se naziva komplement. Primer Za proizvoljan skup A odgovarajuća skupovna Booleova algebra je oblika: B(A) = (P (A),,,, ø, A). 2. Booleovu algebru koja ima samo jedan element zovemo trivijalna Booleova algebra. Najjednostavnija netrivijalna Booleova algebra je dvoelementni lanac 2 = {0, 1}. Kako svaka Booleova algebra u sebi sadrži strukturu mreže, onda se u svakoj Booleovoj algebri indukuje odgovarajuća relacija poretka. Tada je u indukovanom parcijalno ured enom skupu (B, ) element 0 najmanji, a element 1 najveći. Definicija 1.20 Ako Booleova algebra B indukuje kompletnu mrežu (B, ), kažemo da je B kompletna Booleova algebra. Primer 1.21 Svaka skupovna Booleova algebra je kompletna. Definicija 1.22 Booleova algebra je atomična ako je atomična odgovarajuća indukovana mreža. Ako u indukovanoj mreži ne postoje atomi, kažemo da je Booleova algebra bezatomska. Primer 1.23 Za A 0, skupovna Booleova algebra B(A) je atomična. Navodimo neke osobine Booleovih algebri koje će nam trebati. Lema 1.24 U svakoj Booleovoj algebri B važi:

11 9 1. r s ako i samo ako r s = 0, 2. r s ako i samo ako s r, 3. ako je u v i s t tada je u s v t i u + s v + t, 4. r s ako i samo ako ( t)(s t = 0 r t = 0), 5. r = s ako i samo ako ( t)(s t = 0 r t = 0), 6. ako postoji element r {s : s S}, za S B i r B, tada postoji i element {r s : s S} i ta dva elementa su jednaka, 7. ako je B konačna, tada je i atomična. Dokaz. (1) r s je ekvivalentno sa r s = r odakle sledi Sa druge strane, iz r s = 0 sledi r s = (r s) s = 0. r = r 1 = r (s + s) = (r s) + (r s) = 0 + (r s) = r s. (2) r s je ekvivalentno sa r s = r, što je dalje ekvivalentno sa (r s) = r, što je ekvivalentno (na osnovu De Morganovih zakona) sa r + s = r, što je ekvivalentno sa s r. (3) Neka je u v i s t. Tada je u v = 0 i s t = 0, odatle (u s) (v t) = u s ( v + t) = us( v) + us( t) = = 0 Isto tako, u s v t. (u + s) (v + t) = (u + s)( v)( t) = u( v)( t) + s( v)( t) = = 0 u + s v + t. (4) Ako je r s i s t = 0, za svako t, onda je r t = (r s) t = r (s t) = r 0 = 0. Obratno, pošto je s s = 0, iz implikacije sledi s r = 0. Odatle imamo r = r 1 = r (s + s) = (r s) + (r s) = (r s) + 0 = r s, odnosno, r s. (5) Direktna posledica ove leme pod (4) i antisimetričnosti za relaciju. (6) Prvo ćemo dokazati da za proizvoljne elemente a, b, c važi To sledi iz slaganja i + sa a b c b a + c. b = 1 b = ( a + a) b = ( a b) + (a b) a + c.

12 10 Jednako tako Sada, neka postoji Ako je a S, imamo c a + b a c b, jer a c a ( a + b) = a a + a b = 0 + a b b. x = {s : s S}. a x r a r x, pa je r x = r {s : s S} jedna gornja granica za {r s : s S}. Ako je m gornja granica tog skupa, odnosno ako je r s m, za sve s S, tada iz prvog dela ovog dokaza sledi s r + m, za sve s S x r + m, jer je x najmanja gornja granica za S, pa ponovo iz prvog dela dokaza imamo r x m, odakle sledi da je r x najmanja donja granica skupa {r s : s S}. (7) Neka je x proizvoljan element konačne Booleove algebre B koji je različit od nule. Treba pokazati da ispod njega (u odnosu na poredak) postoji atom. Ako je x atom, dokaz je završen. Ako nije, postoji x 1, tako da je x 1 0 i x 1 x. Element x 1 može biti atom, i tada je tvrd enje tačno. U suprotnom, ispod njega postoji element x 2, takav da x 2 0 i x 2 x 1. Na ovaj način se u konačnom broju koraka dolazi do atoma, jer bi u protivnom B bila beskonačna Booleova algebra. Sledeće leme će nam koristiti za dokaz teoreme o reprezentaciji konačnih Booleovih algebri, a druga i za dokaz Stoneove teoreme o reprezentaciji svih Booleovih algebri. Lema 1.25 Neka su B 1 = (B 1, + 1, 1, 1, 0 1, 1 1 ) i B 2 = (B 2, + 2, 2, 2, 0 2, 1 2 ) Booleove algebre i ϕ funkcija iz B 1 u B 2. ϕ je homomorfizam ako i samo ako za sve r, s iz B 1 važe jednakosti ϕ(r 1 s) = ϕ(r) 2 ϕ(s) ϕ( 1 (r)) = 2 (ϕ(r)) (Slično tvrd enje važi i ako se umesto prve stavi druga binarna operacija, i dokaz je dualan.)

13 Dokaz. Smer ( ) je trivijalan, jer je jasno da ove dve jednakosti važe za svaki homomorfizam. ( ) Pretpostavimo da važe dve date jednakosti. Tada je ϕ(r + 1 s) = ϕ( 1 (r 1 s)) = 2 (ϕ( 1 (r) 1 1 (s))) = 2 (ϕ( 1 (r)) 2 ϕ( 1 (s))) = 2 ( 2 ( 2 (ϕ(r)) 2 2 (ϕ(s)))) = ϕ(r) + 2 ϕ(s). 11 ϕ(0 1 ) = ϕ(r 1 1 (r)) = ϕ(r) 2 2 (ϕ(r)) = 0 2. ϕ(1 1 ) = ϕ( 1 (0 1 )) = 2 (ϕ(0 1 )) = 2 (0 2 ) = 1 2. Lema 1.26 Ako je a atom u Booleovoj algebri B i x B, onda važi tačno jedna od nejednakosti a x, a x. Dokaz. Posmatrajmo a = a 1 = a (x + x) = (a x) + (a x). Kako je a atom, elementi odred eni izrazima a x i a x pripadaju skupu {0, a}, pa je bar jedan od njih baš a, na primer a x = a, odnosno a x. Tada a x, jer bi u suprotnom bilo a x x = 0, što je kontradikcija. Za konačne Booleove algebre B može se pokazati da je B izomorfna sa Booleovom algebrom P(A), gde je A skup atoma u B. Odatle se dobija da svaka konačna Booleova algebra ima 2 n elemenata, za neki prirodan broj n, i svake dve konačne Booleove algebre sa istim brojem elemenata su izomorfne. Teorema 1.27 Konačna Booleova algebra B izomorfna je sa Booleovom algebrom P (A), gde je A skup atoma u B. Dokaz. Neka je A skup atoma u konačnoj Booleovoj algebri B. Uočimo funkciju ϕ : B P (A), definisanu tako da je za x B ϕ(x) = {a A : a x}. Dokazujemo da je ϕ izomorfizam. 1) ϕ je injekcija: Neka je x y i (recimo) x y. Odatle je x y 0, pa postoji atom a takav da je a x y.

14 Odatle a x, pa a ϕ(x). Slično, a y, pa a ϕ( y) i zato a y (jer bi iz a y i a y sledilo a y y = 0, što ne može). Zato je ϕ(x) = ϕ(y). 2) ϕ je sirjekcija: Neka je X = {a 1,..., a n } P (A) i x = a a n. Dokazujemo da je ϕ(x) = X. Imamo da je za sve i {1,..., n}, a i x, pa je X ϕ(x). Sa druge strane, ako je a ϕ(x), onda je a x, odnosno a a a n. Tada je a = a x = a (a a n ) = (a a 1 ) + (a a 2 ) (a a n ). Sledi da je za neko i, a = a i, jer bi u suprotnom bilo a = 0, s obzirom da su i a, a 1,..., a n atomi. Sledi ϕ(x) X, pa važi ϕ(x) = X. 3) ϕ je saglasno sa operacijom ( ): Ako je a ϕ(x y), onda važi a x y, odakle je a x i a y, to jest a ϕ(x) i a ϕ(y). Sledi ϕ(x y) ϕ(x) ϕ(y). Sa druge strane, ako je a ϕ(x) ϕ(y), onda je a x i a y, to jest a x y i a ϕ(x y). Sledi, ϕ(x) ϕ(y) ϕ(x y), pa konačno dobijamo ϕ(x y) = ϕ(x) ϕ(y). 4) ϕ je saglasno sa unarnom operacijom (-): Neka je a ϕ( x), odnosno a x. Tada je a x (prema lemi 1.26) to jest a / ϕ(x). To znači da je a (ϕ(x)), odnosno ϕ( x) (ϕ(x)) (sa desne strane je skupovni komplement). Ako je a (ϕ(x)), onda je a / ϕ(x), to jest a x i zato (prema lemi 1.26) a x, odnosno a ϕ( x). Odatle je (ϕ(x)) ϕ( x) i najzad ϕ( x) = (ϕ(x)). Na osnovu 1)-4) i leme ϕ je izomorfizam. Partitivni skupovi se tako mogu smatrati glavnim predstavnicima konačnih Booleovih algebri. Kao što je poznato, skup od n elemenata ima 2 n podskupova. Zato neposredno iz poslednje teoreme slede naredna dva tvrd enja, Posledica 1.28 Svaka konačna Booleova algebra ima 2 n elemenata, gde je n broj njenih atoma. Posledica 1.29 Ma koje dve konačne Booleove algebre sa istim brojem elemenata su izomorfne. Definicija 1.30 Ideal Booleove algebre B je neprazan podskup I B za koji važi (r I i s I) r + s I, (i I i r B) i r I. Teorema 1.31 (Stoneova teorema o reprezentaciji Booleovih algebri) Svaka Booleova algebra se može utopiti u neku Booleovu skupovnu algebru. Dokaz. Kao što smo videli u teoremi 1.17, svaka distributivna mreža je izomorfna podmreži partitivnog skupa. Taj izomorfizam je definisan kao potapanje ϕ iz distributivne mreže u P (A), gde je A skup prostih ideala te mreže. Kako je 12

15 Booleova algebra i sama distributivna mreža može se iskoristiti isto to preslikavanje ϕ(x) = {P A, x / P }. Ono je injektivno i saglasno sa binarnim operacijama. Još je samo potrebno dokazati da je ϕ saglasno sa komplementiranjem, pa se, prema lemi 1.25 dobija homomorfizam Booleovih algebri. ϕ( x) = {P A : x / P } = {P A : x P } = {P A : x / P } = ϕ(x). ϕ je odatle injektivni homomorfizam, odnosno, potapanje date Booleove algebre u partitivni skup kolekcije svih njenih prostih ideala. 13

16 Glava 2 Relacione algebre 2.1 Pojam relacione algebre C.S. Pierce je u nekoliko svojih radova, koje je objavio sedamdesetih godina devetnaestog veka, postavio osnove aritmetike binarnih relacija. Njegov rad na uvod enju osnovnih pojmova teorije relacija i formulisanju njenih osnovnih zakona nastavio je E. Schröder, ali njih dvojica nisu imali puno sledbenika. Za početak aksiomatskog razvoja relacionih algebri smatra se godina, kada je A. Tarski objavio svoj rad, vidi [18]. U ovom radu, pored postavljanja aksioma aritmetike relacija, on je postavio i neka pitanja koja su odredila pravac daljih istraživanja. Te aksiome nisu bile u obliku identiteta. Danas se koristi aksiomatski sistem u kome su sve aksiome identiteti i koji su prvi put objavili A. Tarski i L. Chin godine. Definicija 2.1 Relaciona algebra je algebra U = (U, +,,, 0, 1, ;,, 1 ), gde je (U, +,,, 0, 1) Booleova algebra, a i su unarne operacije na U, 1 istaknuta konstanta u U, i sledeće aksiome su zadovoljene za sve elemente r, s i t iz U: 1. (Asocijativni zakon za kompoziciju) r; (s; t) = (r; s); t, 2. (Jedinični element za kompoziciju) r; 1 = r, 3. (Prvi zakon involucije) r = r, 4. (Drugi zakon involucije) (r; s) = s ; r, 5. (Distributivni zakon za kompoziciju) (r + s); t = r; t + s; t, 6. (Distributivni zakon za inverziju) (r + s) = r + s, 7. (Zakon Tarskog) r ; (r; s) + s = s. Skup U naziva se univerzum od U. Booleove operacije + i se nazivaju sabiranje i komplement. Pirsove operacije ; i zovu se kompozicija i inverzija. Istaknuta konstanta 1 zove se jedinični element. Konvencija o redosledu izvršavanja operacija je sledeća: unarne pre binarnih, a u binarnim kompozicija pre sabiranja. Asocijativni zakon za kompoziciju dozvoljava da se piše r; s; t, bez zagrada. Često ćemo koristiti ovu aksiomu bez posebnog naglašavanja. 14

17 Primer Klasičan primer relacionih algebri je prava relaciona algebra Re(E), za sve podrelacije relacije ekvivalencije E na skupu U. To znači da je nosač ove algebre P(E). Operacije na Re(E) su skupovna unija, skupovni presek, komplement u odnosu na E, kompozicija relacija i inverzija koji su respektivno definisani sa: za sve R, S P(E) važi R S = {(a, b) : (a, b) R ili (a, b) S}, R S = {(a, b) : (a, b) R i (a, b) S}, R = {(a, b) : (a, b) E i (a, b) / R}, R S = {(a, b) : (a, c) R i (c, b) S, za neko c U}, R 1 = {(a, b) : (b, a) R}. Istaknuta konstanta je identička relacija id U na skupu U. Dakle ova relaciona algebra je oblika Re(E) = (P (E),,,, ø, E,, 1, id U ). Ako je E Dekartov proizvod U U, tada je Re(E) puna relaciona algebra na U i označava se sa Re(U). 2. Drugi važan primer relacionih algebri su algebre kompleksa grupe (G,, 1, ι), gde je ι jedinični element grupe. Elementi u ovoj algebri kompleksa su podskupovi (ili kompleksi) skupa G, a operacije ove algebre su skupovna unija, komplement u odnosu na G, množenje i inverzija, poslednje dve definisane su respektivno sa: H K = {h k : h H i k K} i H 1 = {h 1 : h H}. Jedinični element ove algebre je singlton {ι}. Ovu algebru ćemo označavati sa Cm(G). U praksi, elemente iz G identifikujemo sa atomima u Cm(G), to jest, identifikujemo elemente h grupe G sa njihovim singltonima {h}, i govorimo o h kao da je element {h} u Cm(G). Tvrd enje 2.3 Algebra kompleksa svake grupe je relaciona algebra. Dokaz. Neka je Cm(G) = (P(G),,,,, G,, 1, ι), za neku grupu G. Proveravamo da li su zadovoljeni uslovi iz definicije 2.1. (P(G),,,,, G) očigledno čini Booleovu algebru (to je skupovna Booleova algebra za skup G). Proverimo još preostalih sedam aksioma. Neka su N, H, K G. Tada, koristeći definicije kompozicije i inverzije za algebre kompleksa i osobina koja važe u grupama, važi: 1) Asocijativni zakon za kompoziciju, N (H K) = {n (h k) : n N i h H i k K} = {(n h) k : n N, h H i k K} = (N H) K. 2)Jedinični element za kompoziciju, H {ι} = {h ι : h H} = {h : h H} = H. 15

18 16 3) Prvi zakon involucije, (H 1 ) 1 = {h 1 : h H 1 } = {(h 1 ) 1 : h H} 4) Drugi zakon involucije, = {h : h H} = H. (H K) 1 = {g 1 : g H K} = {(h k) 1 : h H i k K} 5) Distributivni zakon za kompoziciju, = {k 1 h 1 : h H, k K} = K 1 H 1. (H K) N = {g n : (g H ili g K) i n N} = {g n : g H i n N} {g n : g K i n N} = (H N) (K N). 6) Distributivni zakon za inverziju, (H K) 1 = {g 1 : g H ili g K} = {g 1 : g H} {g 1 : g K} = H 1 K 1. 7) Zakon Tarskog u algebri kompleksa ima oblik: H 1 (H K) K = K. Dakle, treba pokazati da je H 1 (H K) K. Neka je g H 1 (H K) i pretpostavimo suprotno, da g K. g H 1 (H K) je ekvivalentno sa ( h)( n)(h H n (H K) g = h 1 n). Na jednakost g = h 1 n, sa leve strane, primenimo kompoziciju sa h, pa dobijamo h g = n. Kako je h H i g K, dobijamo da n H K, što je u kontradikciji sa pretpostavkom da n (H K). Kako svaka relaciona algebra U u sebi sadrži strukturu Booleove algebre, uobičajene oznake za Booleovu algebru imaju smisla u kontekstu relacionih algebri. Proizvod dva elementa relacione algebre je Booleov proizvod dva elementa r i s u U može se izraziti preko Booleovog zbira i komplementa, preko De Morganovog zakona: r s = ( r + s), i parcijalno ured enje može biti definisano na U sa: r s ako i samo ako r + s = s. Booleova nula i jedinica su elementi označeni sa 0 i 1. Dva elementa u U su disjunktna ako je njihov Booleov proizvod 0.

19 Atomi u U su definisani kao minimalni nenula elementi (u smislu parcijalnog ured enja koje smo upravo definisali), i relaciona algebra je atomična ako je svaki nenula element iznad nekog atoma. Odnosno, relaciona algebra je atomična ako je atomičan njen Booleov deo. Primer Kako su sve konačne Booleove algebre atomične, sledi da su i sve konačne relacione algebre atomične. 2. Algebre kompleksa Cm(G), gde je G neka grupa, su atomične. Supremum (ili Booleova suma) i infimum (ili Booleov proizvod) skupa X elemenata iz U su najmanje gornje ograničenje skupa X i najveće donje ograničenje skupa X, i ako postoje označavaju se sa X i X. Supremum i infimum proizvoljnog skupa elemenata ne mora da postoji, ali ako uvek postoji kažemo da je relaciona algebra U kompletna. Kompletna podalgebra relacione algebre U je podalgebra B takva da je supremum (u U) svakog podskupa od B pripada B. Iz definicije se vidi da je relaciona algebra kompletna ako je kompletan njen Booleov deo. Primer 2.5 Kako su sve konačne Booleove algebre kompletne, sledi da su sve konačne relacione algebre kompletne. Definicija 2.6 Regularna podalgebra relacione algebre U (koja ne mora biti kompletna) je podalgebra B takva da za svaki podskup X u B, ako X ima supremum r u B, tada X ima supremum i u U, i taj supremum je r. Postoji nekoliko važnih osobina relacionih algebri koje će biti potrebne u ovom radu. Prva lema obuhvata neke od osnovnih osobina relacionih algebri. Druga i šesta osobina se nazivaju zakoni monotonosti za inverziju i kompoziciju, respektivno. Treća i sedma osobina su osobina leve distributivnosti kompozicije prema sabiranju i osobine postojanja levog jediničnog elementa. Lema 2.7 U svakoj relacionoj algebri važi: 1. 1 = 1, 0 = 0 i 1 = r s ako i samo ako r s. 3. t; (r + s) = (t; r) + (t; s). 4. r r; 1 i r 1; r. 5. 1; 1 = ako je r t i s u, tada je r; s t; u ; r = r. 8. (r s) = r s. 17

20 18 Dokaz. (1) Stavimo r = (1 ) i s = 1 u identitetu (r; s) = s ; r. Tada ((1 ) ; 1 ) = (1 ) ; 1 1 = (1 ). Za drugu jednakost stavimo r = 0 i s = 0 u identitetu (r + s) = r + s. Dobijamo (0 + 0) = (0 ) = = 0. Za treću jednakost stavimo r = 1 i s = 1 u identitetu (r + s) = r + s. Dobijamo (2) (3) (1 + 1) = (1 ) = = 1. r s r + s = s (r + s) = s r + s = s r s. t; (r + s) = ((t; (r + s)) ) = ((r + s) ; t ) (4) = ((r + s ); t ) = ((r ; t ) + (s ; t )) = (r ; t ) + (s ; t ) = (t ) ; (r ) + (t ) ; (s ) = t; r + t; s r; 1 = r; 1 r; (1 + 1) = r; 1 r; 1 + r; 1 = r; 1 r + r; 1 = r; 1 r r; 1 Analogno se dobija i r 1; r (5) 1; 1 = 1; (1 + r) = (1; 1) + (1; r) 1; r 1; 1, za svako r. Ako je r = 1, dobijamo 1; 1 1; 1 1 1; 1 1 = 1; 1. (6) Neka je r t i s u. Tada je r + t = t i s + u = u, pa dobijamo t; s = (r + t); s = (r; s) + (t; s) r; s t; s, t; u = t; (s + u) = (t; s) + (t; u) t; s t; u.

21 19 Zbog tranzitivnosti relacije dobijamo r; s t; u. (7) 1 ; r = ((1 ; r) ) = (r ; 1 ) = (r ; 1 ) = (r ) = r. (8) Iz (2) ove leme imamo da r s r (r s) r i r s s (r s) s. Odatle (r s) je donje ograničenje elemenata r i s. Ostaje još da dokažemo da je to i najveće donje ograničenje za ova dva elementa. Uzmimo t r i t s. Dobijamo t r i t s t r s t (r s). Lema 2.8 U svakoj relacionoj algebri, sledeće tri jednakosti su ekvivalentne (r; s) t = 0, (r ; t) s = 0, (t; s ) r = 0. Dokaz. Da bismo to dokazali prvo ćemo da dokažemo da je t (r; s) akko r ; t s. ( ) t (r; s) r ; t r ; (r; s) s, što sledi iz aksiome Tarskog. Dalje, zbog tranzitivnosti relacije sledi r ; t s. ( ) Iz prethodnog dela, ako za r uzmemo r, imamo t (r ; s) r; t s, odnosno r ; s t s (r; t). Sada t zamenimo sa s, a s sa t dobijamo r ; t s t (r; s), čime smo dobili i drugi smer ekvivalencije. Iz ekvivalencije direktno sledi (r; s) t = 0 (r ; t) s = 0. Iz leme 2.7 (8) i drugog zakona involucije sledi (r; s) t = 0 (s ; r ) t = 0, što je iz već dobijenog ekvivalentno sa (s; t ) r = 0. Ako ponovo primenimo 2.7 (8) i drugi involutivni zakon, konačno dobijamo da je (r; s) t = 0 (t; s ) r = 0.

22 20 Lema 2.9 U svakoj relacionoj algebri važi: 1. r; 0 = 0 i 0; r = (r; s) t r; (s (r ; t)). Dokaz. (1) Iz leme 2.8 imamo da važi ekvivalencija (g; s) t = 0 (g ; t) s = 0, uzmemo da je g = r, s = 1, t = 0 i dobijamo (r ; 1) 0 = 0 (r; 0) 1 = 0. Kako je leva strana ekvivalencije tačna, sledi r; 0 = 0. Slično, iz leme 2.8 imamo da važi ekvivalencija odakle dobijamo da je iz čega sledi 0; r = 0. (2) Prvo ćemo dokazati odatle direktno dobijamo (g; s) t = 0 (t; s ) g = 0, (1; r ) 0 = 0 (0; r) 1 = 0, (r; s) t = (r; (s (r ; t))) t, (r; s) t r; (s (r ; t)). Za dokaz tražene jednakosti koristićemo osobinu za Booleove algebre iz leme 1.24 ( u) (r; s) tu = 0 (r; (s (r ; t))) tu = 0. Iz leme 2.8 imamo (r; s) tu = 0 (r ; tu) s = 0, što je ponovnom primenom iste leme, leme 2.7 (6) i osobine a b a b = a dalje (r ; tu) (r ; t) s = 0 (r; (r ; t) s) tw = 0.

23 2.2 Booleove algebre sa operatorima 21 U ovom delu ćemo videti da je svaka relaciona algebra Booleova algebra sa operatorima i na koji još način možemo definisati relacione algebre. Definicija Ako je B Booleova algebra i F : B n B, kažemo da je F operator Booleove algebre B ako je F aditivan (distributivan) po svakom svom argumentu tj. F (r 1, r 2,..., s 1 + s 2,..., r n ) = F (r 1, r 2,..., s 1,..., r n ) + F (r 1, r 2,..., s 2,..., r n ) 2. Za algebru B = (B, +,,, 0, 1, F j ) j J kažemo da je Booleova algebra sa operatorima (u oznaci BAO) ako je redukt Rd B (B) = (B, +,,, 0, 1) Booleova algebra, i sve operacije F j (j J) su operatori Booleove algebre Rd B (B). (Algebru Rd B (B) zovemo Booleov redukt od B). 3. Za operator F kažemo da je kompletno aditivan ako za svaki indeksni skup I za koji postoji {s i : i I} u B, važi F (r 1,..., {s i : i I},..., r n ) = {F (r 1,..., s i,..., r n ) : i I}. Sledeća teorema pokazuje da su relacione algebre zapravo Booleove algebre sa operatorima. Teorema 2.11 Svaka relaciona algebra je Booleova algebra sa operatorima. Dokaz. Pokazećemo da su operacije ; i aditivne, tj. distributivne: r; (s + t) = (r; s) + (r; t) (r + s); t = (r; t) + (s; t) (r + s) = r + s. Prva jednakost važi, dokazali smo u 2.7 3), druga je distributivni zakon za kompoziciju, a treća distributivni zakon za inverziju. Definicija 2.12 Neka su F i G dve unarne operacije Booleove algebre B. 1. Za F i G kažemo da su konjugovane ako za sve r, s B važi F (r) s = 0 ako i samo ako r G(s) = Za F kažemo da čuva poredak (ili da je izotona) ako se slaže sa relacijom, tj. ako iz r s sledi F (r) F (s). Tvrd enje 2.13 U svakoj relacionoj algebri operacija ima konjugovanu (to je ona sama). Dokaz. Iz leme 2.8 imamo (r ; 1 )s = 0 (1 ; s )r = 0, odakle dobijamo r s = 0 s r = 0, odnosno, operacija je samokonjugovana.

24 22 Tvrd enje 2.14 Operacija je izotona u svakoj relacionoj algebri. Dokaz. Lema 2.7 2). O odnosu konjugovanosti i izotonosti govori nam sledeća teorema. Teorema 2.15 Unarna operacija F Booleove algebre B ima konjugovanu ako i samo ako je F izotona i za sve s B skup K(s) = {r B : F (r)s = 0} ima najveći element. Ako to važi, onda je konjugat G od F jedinstven i G(s) jeste najveći element u K(s). Dokaz. ( ). Neka je operacija F izotona i skup K(s) = {r B : F (r)s = 0} ima najveći element N(s). Dokažimo da je tada funkcija G definisana sa G(s) = N(s) konjugovana sa F. F (r)s = 0 r K(s) r N(s) r N(s) = 0 r G(s) = 0. r G(s) = 0 r N(s) = 0 r N(s) F (r) F (N(s)) F (r)s F (N(s))s = 0 F (r)s 0 F (r)s = 0. Dokažimo jedinstvenost konjugovane operacije. Neka je H funkcija sa osobinom Tada imamo: Sa druge strane, F (r)s = 0 r H(s) = 0. F (N(s)) s = 0 N(s) H(s) = 0 H(s) N(s) H(s) G(s). H(s) H(s) = 0 F ( H(s)) s = 0 H(s) N(s) N(s) H(s) G(s) H(s). Dakle, H(s) = G(s). ( ). Pretpostavimo sada da F ima konjugovanu operaciju G. Dokažimo da skup K(s) = {r B : F (r)s = 0} ima najveći element i to je G(s). Prvo, jer Da je najveći sledi iz: G(s) K(s) F ( G(s))s = 0 G(s)G(s) = 0. F (r)s = 0 r G(s) = 0 r G(s).

25 23 Dokažimo da je F izotona. Neka je r s. Znamo da F (s) F (s) = 0 s K( F (s)) s G( F (s)) r s G( F (s)) r G( F (s)) r G( F (s)) = 0 F (r) F (s) = 0 F (r) F (s). Teorema 2.16 Ako unarna operacija F Booleove algebre B ima konjugat, onda je F kompletno aditivna i F (0) = 0. Dokaz. Neka je G konjugovana za F. Dokažimo prvo F (0) = 0 : 0 G(r) = 0 F (0) r = 0, za sve r. Za r = 1 dobijamo F (0) = 0. Dalje, neka je r = {r i : i I}, (r, r i B). Treba dokazati F (r) = {F (r i ) : i I}. Pošto za sve i I važi r i r, a operacija F je izotona, onda F (r i ) F (r), pa je F (r) jedno gornje ograničenje za sve F (r i ). Dokažimo da je to i najmanje gornje ograničenje. Neka je t jedna gornja granica, tj. za sve i I važi F (r i ) t. Tada imamo F (r i ) t F (r i ) t = 0 r i G( t) = 0 G( t) r i = 0, za sve i I. Sada se setimo jedne činjenice koja važi za sve Booleove algebre: Ako u Booleovoj algebri B postoji element r {u : u A}, za neki A B, onda postoji i element {r u : u A}, i ta dva elementa su jednaka. U našem slučaju G( t) {r i : i I} = {G( t) r i : i I} = 0 t F ( {r i : i I}) = 0 F (r) t, što je i trebalo dokazati. Tvrd enje 2.17 Operacije inverzije i kompozicije u relacionoj algebri su kompletno distributivne u odnosu na sabiranje, u smislu da ako supremum skupa X postoji u algebri, tada supremum skupa {r : r X} postoji i {r : r X} = ( X), i supremum skupa {s; r : r X} postoji i {s; r : r X} = s; ( X).

26 Dokaz. Prvi deo je direktna posledica teoreme 2.16, jer je operacija u svakoj relacionoj algebri samokonjugovana. Drugi deo je takod e direktna posledica teoreme Ako je R relaciona algebra i s A onda operacija F (r) = s; r ima konjugovanu, G(r) = s ; r. Ovo dobijamo kao posledicu leme 2.8, jer važi F (r)t = 0 (s; r)t = 0 (s ; t)r = 0 rg(t) = 0. Posledica 2.18 Ako supremumi skupova X i Y postoje u relacionoj algebri R, tada supremum skupa {r; s : r X i s Y } postoji i {r; s : r X i s Y } = ( X); ( Y ). 24 Teorema 2.19 Pretpostavimo da su F i F, G i G parovi konjugovanih operatora na Booleovoj algebri B. Tada važe sledeća tvrd enja: 1. F (r)s F (rf (s)) za sve r B. 2. F (r)s F F (s) za sve r, s B. 3. F (r) F F F (r) za sve r B. 4. Za sve r, s B, ako je F (r) r i F (s) s, tada F (r)s = F (rs). 5. Ako je F (r) r i G(r) r za sve r B, tada F G(r) = F (r)g(r). 6. Ako je F (r) r za sve r B, tada F = F = F F. Dokaz. Vidi [8]. Posledica 2.20 U svakoj relacionoj algebri važi: 1. (r; s)t r; (s(r ; t)). 2. (r; s)t r; r ; t. 3. r r; r ; r. 4. Ako je r; t r i r; t r, tada r(s; t) = (rs)t. 5. Ako je r 1 i s 1, tada (r; t)(s; t) = (rs); t. 6. Ako je r 1, tada r = r = r; r. 7. Ako je r 1 i s 1, tada r; s = rs. 8. Ako je r 1, tada (r; s)t = r; (st).

27 Dokaz. Za dokaze tvrd enja 1)-6) koristimo odgovarajuća tvrd enja iz teoreme )-6). Za dokaze tvrd enja 1)-3) uzimamo F (r) = a; r. Za dokaz tvrd enja 4) uzimamo F (r) = r; c. Za dokaz 5) uzimamo F (r) = a; r, i G(r) = b; r, i za 6) uzimamo F (r) = a; r. Ako primenimo teoremu ) sa F (r) = a; r i G(r) = r; b, gde su a 1 i b 1, dobijamo a; r; b = (a; r)(r; b). Za r = 1 dobijamo 7). Konačno, 8) sledi iz teoreme ) sa F (r) = a; r i G(r) = rc. Ekvivalencija iz leme 2.8, zajedno sa aksiomama da je (R, +,,, 0, 1) Booleova algebra i da je (R, ;, 1 ) monoid, definiše relacionu algebru. O tome govore sledeće dve teoreme. Teorema 2.21 Neka je R = (R, +,,, 0, 1, ;, 1, ) algebra tipa (2, 2, 1, 0, 0, 2, 0, 1) koja zadovoljava 1. (R, +,,, 0, 1) je Booleova algebra; 2. (R, ;, ) je monoid; 3. Za sve r, s, t R važi: Tada je R relaciona algebra. (r; s) t = 0 (r ; t) s = 0 (t; s ) r = 0. Dokaz. Prva i druga aksioma iz definicije relacione algebre slede iz pretpostavke da je (R, ;, ) monoid. Na osnovu (3) možemo dokazati da operacija ima konjugovanu i da je to ona sama: r s = 0 (r ; 1 )s = 0 (1 ; s )r = 0 s r = 0. Takod e, na osnovu (3) možemo dokazati da u našoj algebri i sve operacije F (x) = r; x imaju konjugovane: (r; x)y = 0 (r ; y)x = 0. Odatle, na osnovu teoreme 2.16, zaključujemo da su sve te operacije kompletno aditivne, pa algebra zadovoljava distributivne zakone za kompoziciju i inverziju. Dokažimo da važi i Zakon Tarskog: (r; s)( (r; s)) = 0 (r ; ( (r; s)))s = 0, zbog (3). Ostalo je da dokažemo da važe prvi i drugi zakoni za involuciju. Koristićemo činjenicu (koju smo dokazali u delu o Booleovim alegebrama, lema 1.24) da u svakoj Booleovoj algebri važi: r s ako i samo ako ( t)(s t = 0 r t = 0) i r = s ako i samo ako ( t)(s t = 0 r t = 0). Neka je t R. Tada: tr = 0 (r; 1 )t = 0 (r ; t)1 = 0 ((r ) ; 1 )t = 0 t(r ) = 0, 25

28 26 što prema prethodnom znači da je (r ) = r. Da dokažemo i drugi zakon involucije pretpostavimo da je t R. Tada: (r; s) t = 0 ((r; s) ; 1 )t = 0 (1 ; t )(r; s) = 0 (r; s)t = 0 (r ; t )s = 0 (s ; r )t = 0. Dakle, s ; r = (r; s). Time smo dokazali da je R relaciona algebra. Teorema 2.22 Algebra R = (R, +,,, 0, 1, ;, 1, ) tipa (2, 2, 1, 0, 0, 2, 0, 1) je relaciona algebra akko zadovoljava sledeće uslove: 1. (R, +,,, 0, 1) je Booleova algebra; 2. (R, ;, ) je monoid; 3. Za sve r, s, t R važi: (r; s) t = 0 (r ; t) s = 0 (t; s ) r = 0. Dokaz. Sledi direktno iz leme 2.8 i teoreme Iz tog razloga uslove (1),(2),(3) teoreme 2.21 možemo uzeti za drugu, ekvivalentnu definiciju relacione algebre. 2.3 Neki specijalni elementi relacionih algebri Nekoliko specijalnih vrsta elemenata će biti značajni za dalju diskusiju. Definicija 2.23 Ekvivalencijski element u relacionoj algebri U je element e koji zadovoljava nejednakosti e e i e; e e. Primer 2.24 U skupovnim relacionim algebrama, relacija zadovoljava prvu (drugu) nejednakost samo ako je simetrična (tranzitivna). Definicija 2.25 Neka su r i s elementi relacione algebre U. Kažemo da je r ispod s ako važi r s. Tvrd enje 2.26 Ako su r i s proizvoljni elementi relacione algebre U, koji su ispod ekvivalencijskog elementa e, imamo r + s e, e e e, r; s e, r e, e 1 e. Dokaz. Iz leme 1.24 pod 5), imamo r e i s e r + s e + e e. Druga nejednakost važi po definiciji infimuma.

29 27 Iz leme 2.7. pod 6) i definicije ekvivalencijskog elementa imamo r e i s e r; s e; e e. Za dokaz četvrte nejednakosti ponovo koristimo definiciju ekvivalencijskog elementa i lemu 2.7, ali sada pod 2), i dobijamo r e r e e. Peta nejednakost važi kao i druga po definiciji infimuma. Dakle, skup svih elemenata koji su ispod e je zatvoren za operacije Booleove algebre. Takod e vidimo da je taj skup zatvoren i za kompoziciju i inverziju, i sadrži relativizovani jedinični element e 1. Odatle važi sledeća definicija. Definicija 2.27 Relativizacija U u odnosu na e, je restrikcija relacione algebre U na elemente koji su ispod ekvivalencijskog elementa e. Tvrd enje 2.28 Relativizacija algebre U u odnosu na ekvivalencijski element e je relaciona algebra, i skoro da je podalgebra od U, jedina razlika izmed u relativizacije i podalgebre je to što je u relativizaciji jedinica e, a ne 1, jedinični element e 1, a ne 1. Dokaz. Vidi [3]. Primer 2.29 Ako je E relacija ekvivalencije na U, tada je Re(E) relativizacija od Re(U) u odnosu na E. Relativizacija relacione algebre u odnosu na ekvivalencijski element može naslediti brojne osobine od početne relacione algebre. Tvrd enje 2.30 Ako je početna relaciona algebra kompletna, tada je to i relativizacija. Element r u U je atom u relativizaciji ako i samo ako je atom i u U i r e. Specijalno, ako je U atomična, tada je i relativizacija atomična. Dokaz. Sledi direktno iz definicije relativizacije. Definicija 2.31 Podjedinični element u relacionoj algebri je element x 1. Definicija 2.32 Desno idealni element je element r koji ima osobinu da je r = r; 1. Dakle, za desno idealni element r možemo pretpostaviti da postoji neki element s tako da važi r = s; 1 (u tom slučaju kažemo da s generiše desno idealni element r). Ispostavlja se da uvek postoji element s, koji generiše desno idealni element r, tako da je s podjedinični, vidi [3]. Slično tome definišemo levo idealni element. Definicija 2.33 r je levo idealni element ako je r = 1; r. Gornja definicija ekvivalentna je sa činjenicom da postoji s takav da je r = 1; s (isto kao gore možemo pretpostaviti da je s podjedinični element). Imena potiču iz činjenice da ovi elementi igraju specijalnu ulogu u odred ivanju onoga što zovemo (relaciono algebarskim) desnim i levim idealima.

30 Primer 2.34 U punoj skupovnoj relacionoj algebri na skupu U, desni idealni elementi, respektivno levi idealni elementi, su relacije R koje se mogu napisati u obliku R = X U, respektivno R = U X, za neki podskup X skupa U. Ove relacije mogu se zamisliti kao vertikalne, respektivno horizontalne, trake u Dekartovom koordinatnom sistemu odred enom sa U U. U daljem razmatranju trebaće nam sledeće osobine koje važe za desno idealne elemente. Lema 2.35 Neka su r i s desno idealni elementi, odnosno r = x; 1 i s = y; 1 za neke podjedinične elemente x i y. Tada važi: 1. r je desno idealni element i r = (x; 1) = (1 ( x)); Ako supremum proizvoljnog skupa desno idealnih elemenata postoji, onda je taj supremum desno idealni element. Specijalno, r + s je desno idealni element i r + s = x; 1 + y; 1 = (x + y); r (s; t) = (r s); t, za sve elemente s i t. 28 Dokaz. Vidi [3]. Prema (1) i (2) prethodne leme skup svih desno idealnih elemenata formira regularnu Booleovu podalgebru B u Booleovom delu relacione algebre U. Zove se Booleova algebra desno idealnih elemenata u U. Osobina (3) sa zove strogi modularni zakon za desno idealne elemente, i ona karakteriše desno idealne elemente: Tvrd enje 2.36 r je desno idealni element u U ako i samo ako zadovoljava jednakost r (s; t) = (r s); t, za sve s i t iz U. Dokaz. Vidi [3]. Definicija 2.37 Pravougaonik u relacionoj algebri je element oblika x; 1; y, gde su x i y podjedinični elementi. Elementi x i y zovu se stranice pravougaonika. Tvrd enje 2.38 Za sve x i y iz U važi jednakost x; 1; y = (x; 1) (1; y). Dokaz. Vidi [10]. Posledica 2.39 Pravougaonik je zapravo Booleov proizvod desno idealnog elementa sa levo idealnim elementom. Primer 2.40 U punoj skupovnoj relacionoj algebri na skupu U, pravougaonici su skupovi oblika X Y, gde su X i Y podskupovi skupa U. Definicija 2.41 Za relacionu algebru U kažemo da je prosta ako je netrivijalna (to jest, ako ima bar dva elementa) i ako ima samo trivijalne ideale {0} i U.

31 Tvrd enje 2.42 Klasa prostih relacionih algebri ima vrlo prostu aritmetičku karakterizaciju: relaciona algebra U je prosta ako i samo ako ima tačno dva idealna elementa, koje ćemo označavati sa 0 i 1. Ekvivalentno, U je prosta ako i samo ako je 0 1, i za sve elemente r u U, ako je r 0, tada je 1; r; 1 = 1. Iz ove karakterizacije sledi da je svaka podalgebra proste relacione algebre prosta. 29 Dokaz. Vidi [10]. Koristićemo sledeće osobine pravougaonika. Lema 2.43 Neka su x, y, u, v podjedinični elementi u relacionoj algebri U. Tada: 1. (x; 1; y) (u; 1; v) = (x u); 1; (y v). 2. (x; 1; y) = (y; 1; x). 3. x; 1; y 0 uvek kada je U prosta relaciona algebra i stranice x i y su različite od nule. 4. (x; 1; y); (u; 1; v) x; 1; v i jednakost važi uvek kada je U prosta i y v je različito od nule. 5. x; 1; y = u; 1; v ako i samo ako je x = u i y = v, kada god je U prosta i stranice pravougaonika su različite od nule. Dokaz. Vidi [10]. Definicija 2.44 Kvadrat u relacionoj algebri je pravougaonik sa jednakim stranicama. Tvrd enje 2.45 Kvadrat je uvek ekvivalencijski element. Dokaz. Neka je r kvadrat, to jest element oblika r = x; 1; x, gde je x 1. Za dokaz da je r ekvivalencijski element po definiciji potrebno je da pokažemo da važi r r i r; r r. Na osnovu leme 2.43 pod 2) imamo r = (x; 1; x) = x; 1; x. Na osnovu iste leme, sada pod 3), dobijamo r; r = (x; 1; x); (x; 1; x) (x; 1x), što je i trebalo pokazati. Odatle sledi da ima smisla govoriti o relativizaciji relacione algebre u odnosu na kvadrat. Definicija 2.46 Domen i rang elementa r u relacionoj algebri su podjedinični elementi oblika: domen r = (r; 1) 1 i rang r = (1; r) 1. Primer 2.47 U skupovnoj relacionoj algebri, domen (rang) relacije R je skup parova (α, α) takvih da je α domen (rang) relacije R u standardnom značenju.

32 Tvrd enje 2.48 Domen i rang pravougaonika x; 1; y su, respektivno, stranice x i y. Domen desno idealnog elementa r = x; 1 je x, a rang levo idealnog elementa r = 1; y je y. Ako je x domen, a y rang elementa r, tada je x; r = r; y = r. Prema tome, domen (rang) elementa r se ponaša kao levi (desni) jedinični element za r. 30 Dokaz. Vidi [10]. Definicija 2.49 Funkcionalni element, u relacionoj algebri, je element f sa osobinom f ; f 1. Bijektivni element je funkcija f sa osobinom da je i f takod e funkcija. Primer 2.50 U skupovoj relacionoj algebri, funkcionalni element je zapravo funkcija, a bijekcija injekcija, u skupovnom smislu. Navešćemo neke osobine funkcionalnih elemenata koji će nam trebati u kasnijim razmatranjima. Osobina (3) kaže da je funkcija levo distributivna prema Booleovom množenju. Odatle imamo da je i bijekcija levo distributivna prema Booleovom množenju. Lema 2.51 Neka je U relaciona algebra i f, g, r, s elementi iz U. Tada važe sledeća tvrd enja. 1. Ako je f funkcionalni element sa domenom x i rangom y, i ako je g funkcionalni element sa domenom y i rangom z, tada je f; g funkcionalni element sa domenom x i rangom z. 2. Ako je f funkcionalni element i g f, tada je i g funkcionalni element i (g; 1) f = g. 3. Ako je f funkcionalni element, tada je f; (r s) = (f; r) (f; s), za sve sve elemente r i s. 4. Supremum skupa funkcionalnih elemenata koje generišu uzajamno disjunktne desno idealne elemente, ako postoji, je takod e funkcija. Specijalno, ako su f i g funkcionalni elementi takvi da (f; 1) (g; 1) = 0, tada je f + g funkcionalni element. Dokaz. Vidi [10]. Sada ćemo videti neke osobine atoma koje će nam trebati u daljem razmatranju. Lema 2.52 Neka je U i r, s, f elementi iz U. Tada važe sledeća trvd enja. 1. Ako je r atom, tada su to i njegov domen i rang. 2. Ako je r atom, tada je r; 1 atom u Booleovoj algebri desno idealnih elemenata. Specijalno, ako je r atom i 0 s r; 1, tada je s; 1 = r; 1.

33 3. Ako je r atom u Booleovoj algebri desno idealnih elemenata i ako je f funkcionalni element takav da je r f 0, tada je r f atom. Specijalno, ako je r atom (u relacionoj algebri) i ako je f funkcionalni element, i ako zadovoljavaju 0 f r; 1, tada je i f atom. 4. Funkcionalni element je atom ako i samo ako mu je domen atom. 5. Ako je r atom i f funkcionalni element čiji domen sadrži rang od r, tada je r; f atom. 6. Ako je r atom, tada je i r atom. Dokaz. Vidi [3] i [10]. Definicija 2.53 Element koji je i levo idealni i desno idealni element zove se idealni element. Tvrd enje 2.54 Idealni element r karakteriše činjenica da je r = 1; s; 1, za neki element s (i kaže se da s generiše idealni element r), kao i kod desno idealnih elemenata, može se uzeti da je s podjedinični element. Dokaz. Vidi [10]. Primer 2.55 U pravoj relacionoj algebri na relaciji ekvivalencije E, idealni elementi su relacije R koje se mogu zapisati u obliku R = {V V : V X} za neki skup X, koji je klasa ekvivalencije u E. Ako je V klasa ekvivalencije E, tada je V V idealni element. Tvrd enje 2.56 Skup idealnih elemenata u relacionoj algebri U sadrži 0 i 1 i zatvoren je za Booleove operacije u U. Dokaz. Sledi iz leme 2.35 (1) i (2) i analogonu ove leme za levo idealne elemente, zajedno sa lemom 2.9 (1) i lemom 2.7 (5). Posledica 2.57 Skup idealnih elemenata je Booleova algebra sa Booleovim operacijama iz U, u stvari to je regularna podalgebra Booleovog dela od U, u smislu da supremum skupa idealnih elemenata postoji u Booleovoj algebri idealnih elemenata ako i samo ako postoji u U, i kada ovi supremumi postoje, jednaki su. (Vidi [2] i [10]). Postoji bliska veza izmed u idealnih elemenata i ideala u relacionim algebrama. Tvrd enje 2.58 Neka je U relaciona algebra i B Booleova algebra idealnih elemenata u U. Ako je M relaciono-algebarski ideal u U, tada je K M = B M Booleov ideal u B, i ako je K Booleov ideal u B, tada je skup M K = {r A : 1; r; 1 K} relaciono-algebarski ideal u U. Funkcija koja slika svaki relaciono-algebarski ideal M iz U u Booleov ideal K M iz B je mrežni izomorfizam iz mreže relacionoalgebarskih ideala u U u mrežu Booleovih ideala u B, a inverzni izomorfizam slika svaki Booleov ideal K iz B u relaciono-algebarski ideal M K u U. Specijalno, M je glavni ideal u U samo ako je K M glavni ideal u B, to jest samo ako je M skup svih elemenata u U koji su ispod nekog datog idealnog elementa. 31

34 32 Dokaz. Vidi [2] i [10]. Tvrd enje 2.59 Idealni elementi su uvek ekvivalencijski elementi, pa ima smisla posmatrati relativizaciju relacione algebre prema idealnom elementu. Dokaz. Vidi [10]. Suprotno proizvoljnim elementima ekvivalencije, idealni elementi determinišu ideale (pa i relacije kongruencije) na relacionim algebrama. Posledica 2.60 Skupovi idealnih elemenata mogu se koristiti da bi se dobile dekompozicije relacionih algebri. Ako skup (r i : i I) idealnih elemenata u relacionoj algebri U vrši particiju jedinice, u smislu da su elementi uzajamno disjunktni i zbir im je 1, tada je U izomorfno direktnom proizvodu skupa relacionih algebri (U i : i I), gde je U i relativizacija U prema idealnom elementu r i. Ovaj rezultat ćemo koristiti kao Jónsson-Tarski teoremu (vidi [10]). Posledica 2.61 Ako je r idealni element u U, tada je U izomorfno direktnom proizvodu relacionih algebri B i C koje su relativizacije U u odnosu na r i r, respektivno. Posledica 2.62 Ako je r atom u Booleovoj algebri idealnih elemenata u U- idealni atom, tada je relativizacija U u odnosu na r prosta relaciona algebra. Trebaće nam sledeća posledica (po Givant-u) Jónsson-Tarski teoreme o dekompoziciji. Teorema 2.63 Svaka kompletna relaciona algebra U je izomorfna direktnom proizvodu dve kompletne relacione algebre B i C sa sledećim osobinama: B je direktan proizvod relativizacija U u odnosu na idealne atome, specijalno, svaka od ovih relacionih algebri je prosta i C je relativizacija U koja ima Booleovu algebru idealnih elemenata bez atoma. Dokaz. Neka je (r i : i I) numeracija različitih idealnih atoma u U. Zbir r = i r i ovih elemenata postoji u U jer smo pretpostavili da je U kompletna i ovaj zbir je idealni element prema lemi 2.35 (2) i njenom analogonu za levo idealne elemente. Neka su B i C relativizacije U u odnosu na r i r, respektivno. Tada je U izomorfno direktnom proizvodu B i C, prema Jónsson-Tarski teoremi o dekompoziciji. Svaki od elemenata r i ostaje idealni u B i skup ovih idealnih elemenata vrši particiju jedinice na B. Odatle sledi da je B izomorfno direktnom proizvodu skupa (B i : i I), gde su B i relativizacije B u odnosu na r i, ponovo po Jónsson-Tarski teoremi o dekompoziciji. Relativizacija B i poklapa se sa relativizacijom U prema r i, pa je B izomorfno direktnom proizvodu relativizacija U prema idealnim elementima i svaka od ovih relativizacija je prosta. Ne može biti idealnih elemenata ispod r jer je svaki idealni element, po definiciji, ispod r. Pa je zbog toga Booleova algebra idealnih elemenata u C bez atoma.

35 Posledica 2.64 Činjenica da je Booleova algebra idealnih elemenata u relacionoj algebri C (iz prethodne teoreme) bez atoma ekvivalentna je sa činjenicom da C nema prostih faktora (vidi [10]). Zbog toga, C se ne može dalje rastavljati na direktne proizvode koji sadrže bar jedan prost faktor. Definicija 2.65 Relaciona algebra U zove se integralna ako je netrivijalna i ako je kompozicija dva nenula elementa uvek nenula element, to jest ako su r 0 i s 0 tada je r; s 0. Tvrd enje 2.66 Relaciona algebra je integralna ako i samo ako je 1 atom. 33 Dokaz. Vidi [10]. Na osnovu ove karakterizacije imamo sledeću posledicu. Posledica 2.67 Algebra kompleksa grupe je integralna, a puna skupovna relaciona algebra na skupovima koji imaju bar dva elementa nikad nije integralna. Takod e iz te karakterizacije i leme 2.52 (2) i njenog analogona za levo idealne elemente važi sledeća posledica. Posledica 2.68 U integralnoj relacionoj algebri, jedinica je atom u Booleovoj algebri idealnih elemenata, pa integralna relaciona algebra mora biti prosta. Svaka relaciona algebra ima dve važne ekstenzije koje će nam trebati u daljem radu. Prva je kanonička ekstenzija. Definicija 2.69 Kanonička ekstenzija je kompletna atomična relaciona algebra B koja sadrži U kao podalgebru i zadovoljava sledeća dva uslova: 1. za svaka dva atoma a i b iz B postoji element r iz U koji iznad a, a nije iznad b (to se zove osobina atomske separacije); 2. ako je 1 supremum u B nekog podskupa X elemenata iz U, tada je 1 supremum nekog konačnog podskupa od X (ovo se zove osobina kompaktnosti). Tvrd enje 2.70 Kanonička ekstenzija od U postoji i jedinstvena je do na izomorfizam koji je identička funkcija na U. Dokaz. Vidi [9]. Posledica 2.71 Ako je U prosta, tada je i kanonička ekstenzija od U prosta. Druga ekstenzija od U je kompletiranje U. Definicija 2.72 Kompletiranje U je kompletna relaciona algebra B koja sadrži U kao regularnu i gustu podalgebru. Reći da je U gusta u B znači da je svaki nenula element u B iznad nenula elementa iz U ili, što je ekvivalentno, svaki element r iz B je supremum skupa elemenata iz U koji su ispod r. Tvrd enje 2.73 Kompletiranje U postoji i jedinstveno je do na izomorfizam koji je identička funkcija na U.

36 34 Dokaz. Vidi [15]. Tvrd enje 2.74 Ako je U prosta, tada je i kompletiranje od U prosto. Generalno, B nije atomično, u stvari, B je atomično ako i samo ako je U atomično, jer je element r u B atom ako i samo ako je r atom u U. Dokaz. Vidi [15].

37 Glava 3 Reprezentacija relacionih algebri 3.1 Definicija reprezentacije relacionih algebri Definicija 3.1 Reprezentacija relacione algebre U je utapanje (homomorfizam i 1-1 ) ϕ koja slika U u pravu skupovnu relacionu algebru Re(E), za neku relaciju ekvivalencije E. Podalgebra od Re(E) u koju ϕ slika U takod e se zove reprezentacija U. Definicija 3.2 Reprezentacija (funkcija) ϕ od U je kompletna ako čuva sve supremume kao unije. Ovo znači da ako je r supremum u U skupa elemenata X, tada je relacija ϕ(r) u Re(E) unija skupa relacija {ϕ(s) : s X}. Relaciona algebra se zove reprezentabilna ili kompletno reprezentabilna shodno tome da li ima reprezentaciju ili kompletnu reprezentaciju. Primer 3.3 Algebre kompleksa Cm(G), grupe (G,, 1, ι) su reprezentabilne relacione algebre. Cayleyeva reprezentacija elementa f iz G je permutacija G R f = {(g, g f) : g G}, a Cayleyeva reprezentacija podskupa H u G je unija Cayleyevih reprezentacija elemenata iz H: R H = {R f : f H} = {(g, g f) : g G i f H} = {(g, h) : g, h G i h g H}, gde je g H = {g f : f H}. Može se lako dokazati da sledeće jednakosti važe za sve H,K i L podskupove od G: R H RK = R L, za L = H K, R H = R L, za L = H, R H R K = R L, za L = H K, 35

38 R 1 H = R L, za L = H 1, i id G = R ι. (Operacije levo se izvode u Re(G), dok se operacije desno izvode u Cm(G).) Iz gornjih jednakosti sledi da je skup svih relacija oblika R H za podskupove H od G poduniverzum od Re(G), i to je kompletan poduniverzum. Odgovarajuća kompletna podalgebra obeležava se sa Ca(G). Jednačine takod e impliciraju da je funkcija ϕ iz Cm(G) u Ca(G) definisana sa ϕ(h) = R H = {(g, h) : g, h G i h g H} izomorfizam, pa čak i kompletna reprezentacija Cm(G). Definicija 3.4 ϕ se zove Cayleyeva reprezentacija Cm(G), i Ca(G) se takod e naziva Cayleyeva reprezentacija Cm(G) godine, R. Lyndon pronašao je algebru koja zadovoljava sve aksiome relacione algebre, a nije izomorfna ni jednoj konkretnoj algebri relacija. Lyndon je pronašao nereprezentabilnu relacionu algebru. U sledećem primeru data je konstrukcija te algebre. Primer 3.5 Neka je S neprazan skup, i neka je I S. Za svaka dva elementa r, s S\{I} definišimo { S\{r, s}, r s {r}; {s} = {r, I}, r = s Neka je {r}; {I} = {I}; {r} = {r, I}, za sve r S. Ako su X, Y S, definišimo X; Y i X sa: X; Y = {{r}; {s} : r X, s Y }, X = X. Označimo sa L[S, I] algebru (P(S),,,,, S, ;, {I}, ). Lyndon je dokazao da gore definisana algebra zadovoljava sve aksiome relacione algebre ako i samo ako je S = 3 i S = 4. Takod e je dokazao da za S = 8, algebra L[S, I] nije reprezentabilna. (Vidi [12]). Atomična relaciona algebra U ne mora biti i kompletna, jer mogu postojati beskonačni podskupovi univerzuma za koje supremum i infimum ne postoje. Ovo može predstavljati problem kada pokušavamo da predstavimo U kao izomorfnu kopiju algebre u nekoj datoj konkretnoj klasi skupovnih relacionih algebri; jer reprezentabilne algebre u klasi mogu biti kompletne, kao u slučaju Cayleyevih reprezetacija algebri kompleksa grupa. Nekompletnost je relativno mali nedostatak, jer se može popraviti popunjavanjem svih beskonačnih suma, bez drugog modifikovanja esencijalne strukture U. Tehnički način da se ovo uradi je da se pred e na kompletizaciju od U. Atomi u kompletizaciji su atomi iz U, a operacije na kompletizaciji restrikovane na U, slažu se sa operacijama u U; ovo važi u nekom smislu čak i za operacije formiranja supremuma i infimuma: ako supremum i infimum beskonačnog podskupa od U postoji u U, tada podskup ima isti supremum i infimum i u kompletizaciji. 36

39 Definicija 3.6 Dve relacione algebre su esencijalno izomorfne ako su njihove kompletizacije izomorfne. Treba istaći da nije uvek moguće uspostaviti ovakav esencijalni izomorfizam kada radimo sa reprezentabilnošću, jer postoje atomične relacione algebre U sa osobinom da je U reprezentabilna algebra ali kompletizacija od U nije (videti [6]). Sledeća teorema je samo specijalni slučaj rezultata o atomičnim Booleovim algebrama sa operatorima. Ona daje dovoljan uslov da skup W med usobno disjunktnih nenula elemenata u relacionoj algebri U generiše atomičnu podalgebru u U u kojoj su elementi iz W atomi. Teorema 3.7 Pretpostavimo da je U relaciona algebra i W skup nenula elemenata u U sa sledećim osobinama: 1. Elementi u W su med usobno disjunktni i suma im je (u U) Identični element 1 je suma (u U) elemenata u W koji su ispod Ako je p u W, tada je i p u W. 4. Ako su p i q u W, tada je p; q zbir (u U) elemenata iz W koji su ispod p; q. Skup suma X takvih da je X podskup od W i X postoji u U je tada univerzum atomične relacione algebre B u U, i atomi u B su samo elementi iz W. Ako je U kompletna, tada je B kompletna podalgebra od U. 37 Dokaz. Vidi [8]. 3.2 Reprezentacija atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima Reprezentacija koju ćemo videti u ovom delu rada bliska je sa Cayleyevom reprezentacijom za algebru kompleksa grupe. To je jača verzija teoreme Jónsson- Tarskog o reprezentaciji atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima i malo drugačijom verzijom njihovog dokaza. Najveću pažnju ćemo posvetiti delovima dokaza koji se razlikuju od dokaza teoreme Maddux-Tarski o reprezentabilnosti za funkcionalno guste relacione algebre. Najpre uočimo da ako je svaki atom u relacionoj algebri funkcionalan, tada je inverzni element svakog atoma takod e funkcionalan (kako je inverzni element svakog atoma takod e atom- vidi lemu 2.52 (6)), pa je odatle svaki atom zapravo bijekcija. Teorema 3.8 Svaka atomična relaciona algebra sa funkcionalnim atomima je kompletno reprezentabilna. Dokaz. Neka je U atomična relaciona algebra sa funkcionalnim atomima, i U skup atoma iz U. Definišimo funkciju ϕ iz univerzuma U u Re(U) sa ϕ(r) = {(a, b) : a, b U i b < a; r}

40 Dokazi da ϕ slika 0, 1 i 1 u praznu relaciju, identičku relaciju i u relaciju ekvivalencije E na U, respektivno, i da ϕ čuva Booleove zbirove kao unije, Booleove proizvode kao preseke, komplemente kao skupovne komplemente u odnosu na E, inverzije kao relacione inverzije, identični su argumentima u dokazu teoreme 4.5, koji ćemo videti u sledećem poglavlju. Iz tog razloga, preskačemo te argumente ovde i fokusiramo se na pokazivanje da ϕ očuvava sve postojeće supremume kao unije, očuvava kompozicije kao relacione kompozicije i injekcija je. Da bismo pokazali da ϕ očuvava sve postojeće supremume kao unije, pretpostavimo da je r supremum nekog skupa X elemenata iz U. Kompletna distributivnost kompozicije prema sabiranju implicira da: Za atome a i b, odatle sledi da je za neko s X, pa je a; r = (a; X) = {a; s : s X}. b a; r ako i samo ako je b a; s, (a, b) ϕ(r) akko b a; r akko akko akko b a; s za neko s X (a, b) ϕ(s) za neko s X (a, b) ϕ(s), s X po definiciji za ϕ, definiciji unije skupa elemenata. Odatle, ϕ(r) = ϕ(s). s X Da bismo dokazali da ϕ očuvava kompoziciju, neka su a i b atomi i r i s proizvoljni elementi iz U. Neka je X skup atoma ispod a; r i uočimo da je a; r = X jer je U atomična. Kompletna distributivnost kompozicije prema sabiranju implicira a; r; s = ( X); s = {c; s : c X} = {c; s : c U i c a; r}. Odatle imamo: za neko c U. Iz toga sledi b a; r; s ako i samo ako c a; r i b c; s, (a, b) ϕ(r; s) akko b a; r; s akko akko akko c a; r i b c; s, za neko c U (a, c) ϕ(r) i (c, b) ϕ(s), za neko c U (a, b) ϕ(r) ϕ(s), po definiciji ϕ, prema prethodnim oznakama i definiciji relacione kompozicije. Dakle, ϕ(r; s) = ϕ(r) ϕ(s), za sve elemente r, s U. Da bismo proverili da li je ϕ injekcija, posmatrajmo elemente r, s U. Uzmimo 38

41 da je X skup atoma ispod 1, i uočimo da je 1 supremum za X, što sledi iz pretpostavke da je U atomična. Odatle, r = 1 ; r = ( X); r = {a; r : a X} = {a; r : a U i a 1 }. Za svaki atom b imamo b r ako i samo ako b a; r, za neki atom a 1. Sličnim razmatranjem dolazimo do zaključka da je b s ako i samo ako b a; s, za neki atom a 1. Pretpostavimo da je ϕ(r) = ϕ(s). Iz ove pretpostavke i definicije ϕ sledi da za bilo koja dva atoma a i b imamo b a; r ako i samo ako b a; s. Kombinujući ova razmatranja izvodimo zaključak da je atom ispod r ako i samo ako je ispod s. Elementi r i s su sume atoma koji su ispod njih, pa iz pretpostavke da je U atomična izvlačimo zaključak da je r = s. Definicija reprezentacije u dokazu naredne teoreme može se smatrati prirodnom ekstenzijom atomične relacione algebre sa funkcionalnim atomima, po definiciji Cayleyeve reprezentacije algebre kompleksa grupe. Jónsson-Tarski [10] izveli su sledeći zaključak iz njihove verzije teoreme 3.8. Posledica 3.9 Ako je jedinica relacione algebre U suma konačnog skupa funkcionalnih elemenata, tada je U reprezentabilna. Dokaz. Neka je B kanonička ekstenzija od U. Konačne sume ostaju iste, pa i 1 u B takod e mora biti suma konačnog skupa funkcija. Algebra B je atomična, svaki atom u B je ispod 1, pa i ispod sume funkcija, pa svaki atom mora biti ispod neke funkcije. Elementi ispod funkcija su funkcije po lemi 2.51 (2), pa je B atomična relaciona algebra sa funkcionalnim atomima. Odatle sledi da je B kompletno reprezentabilna, po teoremi 3.8. Iz toga izvodimo zaključak da je U reprezentabilna. 39

42 Glava 4 Funkcionalno guste relacione algebre 4.1 Reprezentabilnost funkcionalno gustih relacionih algebri Definicija 4.1 Relaciona algebra je funkcionalno gusta ako ispod svakog nenula elementa postoji nenula funkcija. Tvrd enje 4.2 Sledećih pet uslova su ekvivalentni u svakoj relacionoj algebri U: 1. U je funkcionalno gusta; 2. jedinica u U je supremum skupa svih funkcija; 3. jedinica u U je supremum skupa nekih funkcija; 4. svaki elemet u U je supremum skupa svih funkcija koje su ispod njega; 5. svaki elemet u U je supremum skupa nekih funkcija. Dokaz. Vidi [8]. U poslednjim poglavljima ovog rada biće dati opisi funkcionalno gustih relacionih algebri, kako atomičnih, tako i onih bez atoma. Iz teoreme koju ćemo videti kasnije (teorema 4.5) sledi da svaka relaciona algebra koja nije reprezentabilna nije ni funkcionalno gusta. Dakle, Lyndonov primer nereprezentabilne relacione algebre je ujedno i primer relacione algebre koja nije funkcionalno gusta. Cilj ovog poglavlja je drugačiji dokaz Maddux-Tarski teoreme da je svaka funkcionalno gusta relaciona algebra reprezentabilna (vidi [13]). Njihova teorema je bolja od teoreme 3.8 jer ne zahteva da relaciona algebra bude atomična i bolja je od posledice 3.9 jer ne zahteva da skup funkcija, koje su ispod jedinice, bude konačan. Za razliku od reprezentacije u teoremi 3.8, reprezentacija u Maddux-Tarski teoremi ne mora biti kompletna. Ideja dokaza njihove teoreme u ovom radu je da prvo pretpostavimo da je U funkcionalno gusta relaciona algebra koja 40

43 je kompletna, pa da pred emo na kanoničku ekstenziju od U. Ova ekstenzija generalno nije funkcionalno gusta ali ima dovoljno funkcionalnih atoma da se napravi reprezentacija U kao u teoremi 3.8. Opšti slučaj kada U nije kompletna rešavamo tako što se prebacimo na kompletizaciju od U, koja ostaje funkcionalno gusta. Lema 4.3 Ako je funkcionalno gusta relaciona algebra kompletna, tada ispod svakog nenula elementa r postoji nenula funkcija f takva da važi f; 1 = r; 1. Dokaz. Neka je U funkcionalno gusta relaciona algebra koja je kompletna. Posmatrajmo neki nenula element r iz U. Transfinitnom indukcijom po ordinalnom broju i, konstruišemo skup nenula funkcija f i koje su ispod r i generišu uzajamno disjunktne desno idealne elemente. Za bazu indukcije i = 0, koristimo da je U funkcionalno gusta i biramo nenula funkciju f 0 koja je ispod r. Pretpostavimo da smo izabrali f i za sve ordinale i manje od ordinala j. Suma: g j = i<j 41 f i (4.1) postoji zato što je U kompletna. Dalje, g j je funkcija po lemi 2.51 (4) i indukcijskoj hipotezi da funkcije f i generišu uzajamno disjunktne desno idealne elemente; i g j je ispod r jer je svaka od funkcija f i ispod r po indukcijskoj hipotezi. Ako su generisani desno idealni elementi g; 1 i r; 1 jednaki, funkcija f = g j ima tražene osobine. Ako generisani desno idealni elementi nisu jednaki, tada 0 < g j < r; 1 jer 0 < g j r, pa je (g j ; 1) (r; 1) 0. Komplement (g j ; 1) je desno idealni element, po lemi 2.35 (1). Koristeći zakon stroge modularnosti za desno idealne elemente (lema 2.35 (3), za r, s i t zamenjenim sa (g j ; 1), r i 1, respektivno) na identitet dobijamo [ (g j ; 1) r]; 1 0. Sledi da je (g j ; 1) r 0, po lemi 2.9 (1). Pozivajući se na činjenicu da je U funkcionalno gusta, dobijamo nenula funkciju f j koja je ispod (g j ; 1) r. Odatle, f j je ispod r. Kako je f j takod e ispod (g j ; 1), zbog zakona monotonosti kompoziciju i činjenice da je (g j ; 1) desno idealni element sledi f j ; 1 [ (g j ; 1)]; 1 = (g j ; 1). Dakle, desno idealni elementi g j ; 1 i f j ; 1 su disjunktni. Kako je g j ; 1 = ( i<j f i ); 1 = i<j(f i ; 1), sledi da je f j ; 1 disjunktan sa f i ; 1 za svaki i < j. Ovo kompletira indukcijski korak u konstrukciji. Ovaj proces mora stati za neki ordinalni broj jer je nemoguće da postoji više nenula, uzajmno disjunktnih funkcija u U nego što je elemenata u U. Ako konstrukcija stane za ordinalni broj j, tada je zbir g j u (4.1) funkcija ispod r koja generiše isti desno idealni element kao r. (Ako

44 ne generiše desno idealni element induktivna konstrukcija bi se nastavila za još jedan korak.) Funkcija f = g j ima tražene osobine. Nastavljamo sa pretpostavkom da je U kompletna, funkcionalno gusta relaciona algebra. Neka je B kanonička ekstenzija od U, i neka je U skup svih atoma iz B koji su ispod funkcija u U. Drugim rečima, element a pripada U ako i samo ako je a atom u B i a f, za neku funkciju f iz U. Skup U će biti bazni skup za reprezentabilnost U. Sledeća lema daje ključnu osobinu koja će nam trebati za konstrukciju reprezentabilnosti. Lema 4.4 Pretpostavimo da je (a i : i I) konačan, neprazan skup elemenata u U, i (r i : i I) odgovarajući skup elemenata u U. Ako Booleov proizvod i (a i; r i ) nije nula, tada ovaj proizvod mora biti iznad atoma u U. 42 Dokaz. Pisaćemo t = i (a i ; r i ), (4.2) i pretpostavićemo da je t 0. Pokazaćemo da je t iznad nekog atoma u U. Primenimo lemu 2.7 (4), definiciju t, monotonost i asocijativni zakon za kompoziciju, pa dobijamo 0 < t t; 1 (a i ; r i ); 1 a i ; (r i ; 1) a i ; 1 (4.3) za svaki indeks i. Element a i je atom u B, pa je generisani desno idealni element a i ; 1 atom u Booleovoj algebri desno idealnih elemenata iz B i t; 1 = a i ; 1 (4.4) po (4.3) i lemi 2.52 (2). Sledi da je t; 1 atom u Booleovoj algebri desno idealnih elemenata iz B. Pretpostavka da a i pripada U i definicija U impliciraju da je a i iznad neke funkcije f i iz U. Koristeći lemu 2.51 (2) dobijamo (a i ; 1) f i = a i. (4.5) Koristeći strogi modularni zakon za desno idealne elemente, lemu 2.35 (3), za r, s i t zamenjenim sa t; 1, f i i r i, respektivno), (4.4), (4.5), vidimo da (t; 1) (f i ; r i ) = [(t; 1) f i ]; r i = [(a i ; 1) f i ]; r i = a i ; r i. (4.6) Zaključujemo da (t ; 1) (f i ; r i ) = i i [(t i ; 1) (f i ; r i )] = i (a i ; r i ) = t > 0. (4.7) po zakonima koji važe za Booleovu algebru, (4.6) i (4.2). Kao Booleov proizvod kompozicija konačno mnogo elemenata u U, element i (f i; r i ) takod e mora pripadati U. Koristeći (4.7), (4.3) i pretpostavku da je U kompletna dobijamo nenula funkciju g u U takvu da g i (f i ; r i ) i g; 1 = ( i (f i ; r i ); 1). (4.8)

45 43 Kratkim računom, datim ispod, dobijamo da Zaista, (t i ; 1) (g; 1) 0. (4.9) (t; 1) (g; 1) = (t; 1) [( (f i ; r i )); 1] i = [(t; 1) (f i ; r i )]; 1 = t; 1 0, po drugom delu (4.8), zakonu stroge modularnosti za desno idealne elemente (za r, s i t zamenjene sa t; 1, i ()f i; r i ) i 1, respektivno), (4.7) i (4.3). Koristeći (4.9), lemu 2.8 i lemu 2.7 (1) dobijamo da i (t; 1; 1) g 0. (4.10) Element c = (t; 1; 1) g = (t; 1) g je nenula, po (4.10). Kako je g funkcija i t; 1 atom u Booleovoj algebri desno idealnih elemenata iz B, sledi iz leme 2.52 (3) da je c zapravo atom u B. Takod e, c je ispod funkcije g, koja je u U, pa c mora pripadati skupu U, po definiciji U. Konačno, c = (t; 1) g (t; 1) (f i ; r i ) = t, po definciji c, prvom delu (4.8), zakonu monotonosti za kompoziciju i (4.7). Dakle, c je atom u U koji je ispod t, kao što je traženo. Sledi teorema Maddux-Tarskog o reprezentabilnosti funkcionalno gustih relacionih algebri. Teorema 4.5 Svaka funkcionalno gusta relaciona algebra je reprezentabilna. Dokaz Neka je U funkcionalno gusta relaciona algebra i pretpostavimo prvo da je U kompletna. Neka je B kanonička ekstenzija od U i U skup atoma u B koji su ispod funkcija iz U. Definišemo funkciju ϕ iz univerzuma U u Re(U) sa ϕ(r) = {(a, b) : a, b U i b a; r} za r iz U. Jasno, ϕ(0) = ø i ϕ(1 ) = id U. Zaista, a; 0 = 0, po lemi 2.9 (1), pa ne postoje dva elementa a i b za koje bi važilo b a; 0. Takod e, a; 1 = a, po zakonu za jedinični element za kompoziciju, pa za atome a i b imamo b a; 1 ako i samo ako a = b. Za dokaz da ϕ očuvava operacije na U, fiksirajmo atome a i b iz U i elemente r i s iz U. Posmatrajmo prvo operaciju Booleovog zbira. Zakon leve distributuvnosti za kompoziciju prema zbiru implicira Kako je b atom imamo a; (r + s) = (a; r) + (a; s). b a; (r + s) ako i samo ako b a; r ili b a; s. i

46 44 Sledi da (a, b) ϕ(r + s) akko b a; (r + s) akko akko akko b a; r ili b a; s (a, b) ϕ(r) ili (a, b) ϕ(s) (a, b) ϕ(r) ϕ(s) po definiciji ϕ, prethodnim oznakama i definiciji unije. Dakle, ϕ(r + s) = ϕ(r) ϕ(s). Posmatrajmo sada Booleov proizvod. Svaki element u U je ispod funkcije iz U, po definiciji U, pa je i funkcija, po lemi 2.51 (2). Zakon distributivnosti za funkcije (lema 2.51 (3)) implicira a; (r s) = (a; r) (a; s), pa imamo Sledi, b a; (r s) akko b (a; r) (a; s) akko b a; r i b a; s. (a, b) ϕ(r s) akko b a; (r s) akko akko akko b a; r i b a; s (a, b) ϕ(r) i (a, b) ϕ(s) (a, b) ϕ(r) ϕ(s) po definiciji ϕ, prethodnim oznakama i definiciji preseka. Dakle, ϕ(r s) = ϕ(r) ϕ(s). Da bismo dokazali da ϕ očuvava inverziju, uočimo da je a b; r ako i samo ako b a; r, po kontrapoziciji leme 2.8 (sa b, r i a umesto r, s i t, respektivno) i pretpostavci da su a i b atomi. Odatle, (a, b) ϕ(r ) akko b a; r akko akko a b; r (b, a) ϕ(r) akko (a, b) ϕ(r) 1, po definiciji ϕ, prethodnim oznakama i definiciji relacione inverzije. Dakle, ϕ(r ) = ϕ(r) 1. Kao što smo već rekli, dokaz da ϕ očuvava kompoziciju je različit od dokaza iz teoreme 3.8. Pretpostavimo prvo da ured eni par (a, b) pripada relacionoj kompoziciji ϕ(r) ϕ(s). Po definiciji relacione kompozicije to znači da mora postojati atom c iz U takav da (a, c) ϕ(r) i (c, b) ϕ(s). Iz definicije ϕ sledi da c a; r i b c; s. Odatle sledi b c; s a; r; s po zakonu monotonosti za kompoziciju, pa ured eni par (a, b) ϕ(r; s). Ovo pokazuje da je ϕ(r) ϕ(s) sadržano u ϕ(r; s). Da bismo pokazali obrnutu inkluziju pretpostavimo da je (a, b) ϕ(r; s). Iz definicije ϕ sledi da je b ispod a; r; s, pa je (a; r; s) b 0. Primenom leme 2.8 (za r i t zamenjene sa a; r i b, respektivno) dobijamo (a; r) (b; s ) 0. Koristimo lemu 4.4 (sa I dvoelementnim indeksnim skupom) i dobijamo atom c iz U za koji važi c (a; r) (b; s ).

47 Kako je c ispod b; s, par (a, c) pripada ϕ(s), po definiciji ϕ. Kako je c takod e ispod b; s, par (b, c) pripada ϕ(s ). Sledi, par (c, b) pripada ϕ(s)- jer smo već dokazali da ϕ očuvava inverziju. Odatle je par (a, b) u relacionoj kompoziciji ϕ(r) ϕ(s), po definiciji kompozicije. Zaključak: ϕ(r; s) = ϕ(r) ϕ(s). Činjenica da ϕ očuvava jedinični element i operacije zbira, inverzije i kompozicije implicira da je relacija E = ϕ(1) relacija ekvivalencije na baznom skupu U. Detaljnije, id U = ϕ(1 ) ϕ(1) = E, E 1 = ϕ(1) 1 = ϕ(1 ) = ϕ(1) = E, E E = ϕ(1) ϕ(1) = ϕ(1; 1) = ϕ(1) = E. Preslikavanje relacione algebre koje očuvava zbir, Booleov proizvod, nulu i jedinicu mora da očuvava i komplement, u smislu da je ϕ( r) = ϕ(r), gde se komplement sa desne strane pravi u odnosu na Re(E). Do sada je dokazano da je ϕ homomorfizam iz U u Re(E). Ostaje da proverimo da je ϕ injekcija. Pretpostavimo da je r 0. Element 1; r nije nula, po lemi 2.7 (1), lemi 2.9 (1) i drugom zakonu involucije, pa mora postojati nenula funkcija f iz U koja je ispod 1; r, jer smo pretpostavili da je U funkcionalno gusta. Specijalno, f (1; r ) 0. Primenom leme 2.8 dobijamo da je (f; r) 1 0. Dakle, f; r nije nula. Neka je X skup atoma u kanoničkoj ekstenziji B koji su ispod f. Svaki atom u X je ispod funkcije iz U, odnosno f, pa svaki atom iz X pripada skupu U, po definiciji skupa U. Kako je B atomična, f mora biti supremum skupa X atoma iznad kojih se nalazi, pa je 0 < f; r = ( X); r = {a; r : a X}, zbog kompletne distributivnosti kompozicije u odnosu na zbir. Sledi da je a; r 0, za neki atom a ispod f. Koristeći lemu 4.4 (sa I jednoelementnim indeksnim skupom) uočavamo atom b iz U koji je ispod a; r. Par (a, b) pripada ϕ(r), po definiciji ϕ. Zaključak: preslikavanjem ϕ svaki nenula element iz U se slika u neku nepraznu relaciju na skupu U, pa jezgro ϕ sadrži samo nulu. Dakle, ϕ je injekcija, pa je i utapanje U u Re(E). Drugim rečima, ϕ je reprezentacija od U. Posmatrajmo sada slučaj kada je U proizvoljna funkcionalno gusta relaciona algebra. Kompletizacija od U je takod e funkcionalno gusta. Zaista, svaki nenula element u kompletizaciji je iznad nekog nenula elemenata iz U, po definiciji kompletizacije, a svaki nenula element iz U je iznad funkcije, zbog pretpostavke da je U funkcionalno gusta. Iz toga sledi da je svaki nenula element iz kompletizacije iznad neke nenula funkcije. Sledi da je kompletizacija reprezentabilna nekom funkcijom ϕ, po prvom delu dokaza. Restrikcija ϕ na U je reprezentacija U. Postavlja se pitanje da li argument u dokazu teoreme 3.8, koji kaže da je reprezentacija kompletna, može biti primenjen i u dokazu teoreme 4.5, da pokaže da je kompletna, funkcionalno gusta relaciona algebra kompletno reprezentabilna. 45

48 Dokaz u teoremi 4.5 koristi kanoničku ekstenziju od U, čak i kada je U kompletna; ali supremum i infimum podskupova od U su generalno različiti u U od onih u kanoničkoj ekstenziji. Zapravo, ako U ima kompletnu reprezentaciju, tada bi U morala da bude atomična, po teoremi Hirsch-Hodkinson [4], i tada bi za nju važila teorema 3.8. Sledeća teorema može biti od značaja. Teorema 4.6 Kanonička ekstenzija reprezentabilne relacione algebre je uvek kompletno reprezentabilna. Dokaz. Vidi [5]. Ovaj rezultat- po Hirsch-Hodkinson [5]- poboljšava prethodni rezultat koji je dao Monk, prema kome je kanonička ekstenzija reprezentabilne relacione algebre reprezentabilna. Posledica 4.7 Kanonička ekstenzija funkcionalno guste relacione algebre je kompletno reprezentabilna. 4.2 Teorema o dekompoziciji funkcionalno gustih relacionih algebri Teorema 4.5, odnosno reprezentabilnost koju ona potvrd uje, otvara pitanje kompletnog strukturnog opisa za sve funkcionalno guste relacione algebre. Iako ovo pitanje još nije rešeno, neke zanimljive osobine mogu se uočiti. Prosta, funkcionalno gusta relaciona algebra nije uvek atomična, kao što ćemo kasnije i videti. Med utim, postojanje samo jednog atoma u takvoj relacionoj algebri implicira atomičnost. Teorema 4.8 Svaka prosta, funkcionalno gusta relaciona algebra je ili atomična ili bez atoma. Dokaz. Neka je U funkcionalno gusta relaciona algebra koja je prosta. Uočimo pre svega da, ako je leva stranica pravougaonika u U atom, tada pravougaonik mora biti suma funkcionalnih atoma iz U. Zaista, posmatrajmo proizvoljni atom x iz U i neka je y proizvoljni podjedinični element. Pravougaonik x; 1; y je suma (moguće praznog) skupa X nenula funkcija, zbog pretpostavke da je U funkcionalno gusta. Svaka funkcija f iz X je ispod x; 1, po zakonu monotonosti za kompoziciju, a x; 1 je atom u Booleovoj algebri levo idealnih elemenata, po lemi 2.52 (2), pa je f atom u U, po lemi 2.52 (3). Sledi, svaki pravougaonik sa atomima kao stranicama u U je suma funkcionalnih atoma. Pretpostavimo sada da je U algebra koja nije bez atoma i neka je r atom u U. Domen r- nazovimo ga x- je podjedinični atom, po lemi 2.52 (1). Pravougaonik x; 1; 1 je zbir skupa X funkcionalnih atoma, po razmatranju iz prethodnog pasusa. Rang svakog atoma je ponovo atom, po lemi 2.52 (1), pa je (1; f) 1 atom, za svaki f iz X. Iz pretpostavke da je U prosta imamo da je 1; x; 1 = 1. Koristeći zakon identičnosti za kompoziciju i kompletnu distributivnost Booleovog 46

49 47 proizvoda i kompozicije prema zbiru, dobijamo da 1 = (1; 1 ) 1 = [(1; x; 1); 1 ] 1 = [1; (x; 1; 1 )] 1 = (1; X) 1 = {(1; f) 1 : f X}. Ovo razmatranje pokazuje da je 1 suma skupa W svih podjediničnih atoma. Sada lako sledi da je jedinica u U suma skupa svih pravougaonika sa atomima kao stranicama, jer 1 = 1 ; 1; 1 = ( W ); 1; ( W ) = {y; 1; z : y; z W }. U prvom delu dokaza smo videli da je svaki pravougaonik sa atomima kao stranicama suma skupa funkcionalnih atoma. Kombinujući ova dva razmatranja zaključujemo da je jedinica suma skupa svih funkcionalnih atoma. Sledi, U je atomična. Sledi teorema o direktnoj dekompoziciji za funkcionalno guste relacione algebre. Teorema 4.9 Svaka funkcionalno gusta relaciona algebra je esencijalno izomorfna direktnom proizvodu prostih, funkcionalno gustih relacionih algebri -od kojih je svaka ili atomična ili bez atoma- i jedne funkcionalno guste relacione algebre koja je bez atoma i ima Booleovu algebru idealnih elemenata koja je bez atoma. Dokaz. Sa date funkcionalno guste relacione algebre prelazimo na njenu kompletizaciju U. Prema teoremi 2.63, algebra U je izomorfna direktnom proizvodu dve (moguće trivijalne) kompletne relacione algebre B i C sa osobinama da je B direktan prozivod (kompletnih) prostih relacionih algebri, a C je bez atoma i ima Booleovu algebru idealnih elemenata bez atoma. Algebre B, C i proste algebre u direktnoj dekompoziciji B, su sve relativizacije od U. Relativizacija funkcionalno guste relacione algebre ostaje funkcionalno gusta (vidi [3]). Sledi, faktor B je direktan proizvod prostih, kompletnih, funkcionalno gustih relacionih algebri, od kojih je svaka ili atomična ili bez atoma, po teoremi 4.8; takod e, faktor C je kompletna, bez atoma, funkcionalno gusta relaciona algebra sa Booleovom algebrom idealnih elemenata bez atoma. Može se desiti da jedan ili više faktora dekompozicije iz prethodne teoreme bude trivijalno. Na primer, ako je U atomična, onda nema netrivijalnih faktora koji su bez atoma, pa faktor C, koji je bez atoma, iz prethodnog dokaza, je trivijalan i skup prostih faktora u direktnoj dekompoziciji faktora B ne sadrži faktore koji su bez atoma. Sa druge strane, ako U ima Booleovu algebru idealnih elemenata bez atoma, tada je faktor B, iz dokaza prethodne teoreme, trivijalan.

50 Atomična relaciona algebra je funkcionalno gusta ako i samo ako je svaki atom funkcija. Atomična relaciona algebra sa funkcionalnim atomima je očigledno funkcionalno gusta jer je svaki element iznad atoma, pa samim tim i iznad nenula funkcije. Sa druge strane, u atomičnoj, funkcionalno gustoj relacionoj algebri svaki atom mora biti iznad nenula funkcije, pa svaki atom mora biti funkcija. Posledica 4.10 Svaka atomična relaciona algebra sa funkcionalnim atomima je esencijalno izomorfna direktnom proizvodu prostih, atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima. 4.3 Opis atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima Za sve atomične relacione algebre sa funkcionalnim atomima, Jónnson i Tarski [10] su dali opis, u terminima (aksiomatski zasnovane) algebre kompleksa generalizovanog Brandtovog grupoida. U prostim relacionim algebrama, teorema koju su Jónnson i Tarski dokazali kaže da je prosta relaciona algebra kompletna i atomična sa funkcionalnim atomima ako i samo ako je izomorfna algebri kompleksa Brandtovog grupoida, a svaka prosta (ne mora biti kompletna) relaciona algebra koja je atomična sa funkcionalnim atomima može se utopiti u algebru kompleksa Brandtovog grupoida. (Uočimo da, po posledici 4.10, problem da se opišu atomične relacione algebre sa funkcionalnim atomima svodi na problem da se opišu sve takve algebre koje su proste.) Kao posledicu njihovog opisa, Jónnson i Tarski su zaključili da je relaciona algebra reprezentabilna ako i samo ako se može utopiti u algebru kompleksa generalizovanog Brandtovog grupoida. Definicija 4.11 Relaciona algebra R se naziva bijektivno gusta ako ispod svakog nenula elementa postoji nenula bijekcija. Lema 4.12 Svaka funkcionalno gusta relaciona algebra je bijektivno gusta. Specijalno, svaki atom je bijekcija. Dokaz. Neka je U funkcionalno gusta relaciona algebra i neka je r nenula element iz U. Inverzni element r je takod e nenula, po lemi ) i prvom involutivnom zakonu, pa postoji nenula funkcija f koja je ispod r, jer je U funkcionalno gusta. Dalje je f nenula, pa postoji nenula funkcija g koja je ispod f. Lako se proverava da je g bijekcija ispod r. Zaista, g mora biti ispod f, po zakonu monotonosti za inverziju i f = f, po prvom zakonu involucije, pa je g ispod f, odakle je i funkcija, po lemi 2.51, 2). Kako je g funkcija po pretpostavci, sledi da je g bijekcija. Takod e, f je ispod r i r = r, pa je g f r. 48 Teorema 4.13 Svaka integralna relaciona algebra je kompletna i atomična sa funkcionalnim atomima ako i samo ako je izomorfna algebri kompleksa grupe.

51 Dokaz. Očigledno, algebra kompleksa grupe je integralna relaciona algebra koja je kompletna i atomična sa funkcionalnim atomima (vidi posledicu 2.67.). Posmatrajmo sada proizvoljnu relacionu algebru U koja je kompletna i atomična sa funkcionalnim atomima. Skup G atoma iz U sadrži bijekciju, po prethodnoj lemi, a domen i rang svake bijekcije je jedinični element 1, po lemi ). Elementi u G formiraju grupu sa restrikovanim operacijama kompozicije i inverzije iz U, po lemi ) i definiciji bijekcije, takod e, jedinični element grupe koincidentan je sa jediničnim elementom u U. Funkcija ε koja slika f u {f}, za svako f G, je bijekcija iz skupa atoma iz U u skup atoma u Cm(G) i očuvava operacije inverzije i kompozicije na atomima. Na primer, ε(f; g) = {f; g} = {f}; {g} = ε(f); ε(g), po definiciji ε i kompozicije na Cm(G). Prirodna ekstenzija ε na U, funkcija ϕ definisana za svaki element r U sa ϕ(r) = {f G : f r}, 49 je dobro definisan izomorfizam iz U u Cm(G). Posledica 4.14 Integralna relaciona algebra je atomična sa funkcionalnim atomima ako i samo ako je esencijalno izomorfna algebri kompleksa grupe. Da bismo opisali sve proste (ne nužno i integralne) atomične relacione algebre sa funkcionalnim atomima, neophodno je da konstruišemo širu klasu primera nego što su algebre kompleksa. Fiksirajmo kompletnu relacionu algebru C i kardinalni broj κ > 0 (za koji smatramo da je skup svih manjih ordinala, kao što je i uobičajeno u teoriji skupova). κ κ matrica sa elementima iz C je funkcija r koja slika Dekartov proizvod κ κ u univerzum od C. Pišemo r = [r ij ]. Neka je B skup takvih matrica i definišimo Booleove operacije + i, kao i Peirceove operacije ; i sa r + s = t, gde je t ij = r ij + s ij, (4.11) r = t, gde je t ij = r ij, (4.12) r; s = t, gde je t ij = k<κ r ik ; s kj, (4.13) r = t, gde je t ij = r ji. (4.14) Ovde, operacijski simboli na levoj strani označavaju operacije definisane na B, dok operacijski simboli na desnoj strani označavaju operacije na relacionoj algebri C. Pretpostavka da je C kompletna je neophodna da bi suma na desnoj strani u (4.13) postojala. Lako se vidi da je algebra B = (B, +,,, 0, 1, ;,, 1 ) relaciona algebra (vidi [7] i [16]). Zaista, aksiome relacionih algebri na B važe kao direktna posledica činjenice da one važe na C i uobičajenih zakona koji važe za množenje i transpoziciju matrica. B ćemo zvati κ-ta matrična relaciona algebra nad C i smatraćemo C bazom B.

52 Primer 4.15 Kada je C algebra kompleksa grupe G, svaka matrična algebra nad C je primer proste relacione algebre koja je kompletna i atomična sa funkcionalnim atomima. Naime, atomi su matrice koje imaju tačno jednu nenula komponentu i ta komponenta je atom iz C (to jest, to je neki element grupe G). Da bismo dobili drugačiji pogled na matrične relacione algebre, pretpostavimo da je B κ-ta matrična relaciona algebra nad bazom C koja je kompletna skupovna relaciona algebra na nekom baznom skupu G. Drugim rečima, pretpostavimo da je C kompletna podalgebra od Re(G). Namera je da C bude Cayleyeva reprezentacija algebre kompleksa neke grupe G, ali glavni cilj je da konstruišemo kompletnu reprezentaciju od B tako što ćemo svakoj matrici [R ij ] iz B dodeliti binarnu relaciju koja je disjunktna unija kopija relacija R ij koje su komponente date matrice. Sledi detaljniji opis. Neka je (G i : i < κ) skup po parovima disjunktinih kopija skupa G, odabranih tako da je G 0 = G. Neka je F 00 identička funkcija na G i za svaki indeks i iz 0 < i < κ, neka je F 0i proizvoljna bijekcija iz G u G i. Za svaki element g G, pišemo g i za element u koji se g slika pomoću F 0i. Neka je F ij = F 1 oi F 0j i uočimo da je F ij bijekcija iz G i u G j (otuda i podrelacija od G i G j ), zapravo F ij = {(g i, g j ) : g G}. Sledeće osobine ovih bijekcija lako se proveravaju: 50 F i i = id Gi, F 1 ij = F ji, F ik F kj = F ij, F ik F lj =, (4.15) kada je k l. Pišemo U = i<κ G i i uočimo da pravougaonici G i G j, za i, j < κ, formiraju particiju na U U, u smislu da su neprazni, uzajamno disjunktni i imaju U U za uniju. Izomorfna kopija B koju ćemo da definišemo je podalgebra od Re(G). Ako je R ij element iz C (a time i podrelacija od G G) pišemo R ij = F i0 R ij F 0j = {(f i, g j ) : (f, g) R ij } (4.16) i uočimo da je R ij kopija R ij koja je podrelacija od G i G j. Koristeći (4.15) nije teško proveriti da sledeće jednakosti važe: R ij S ij = T ij, gde je T ij = R ij S ij, (4.17) (G i G j ) R ij = T ij, gde je T ij = R ij, (4.18) R ik S kj = T ij, gde je T ij = R ik S kj, (4.19) (Rji) 1 = Tij, gde je T ij = R 1 ij (4.20) Rij Sij =, kada je k l. (4.21) Operacije sa leve strane izvode se u Re(U), dok se operacije sa desne strane izvode u C, jer su elementi sa desne strane iz C. Kao primer, proverićemo

53 51 jednakost (4.19): R ik S kj = (F i0 R ik F 0k ) (F k0 S kj F 0j ) = F i0 R ik (F 0k F k0 ) S kj F 0j = F i0 R ik F 00 S kj F 0j = F i0 R ik id G S kj F 0j = F i0 R ik S kj F 0j = F i0 T ij F 0j = T ij Primetimo da ovo izvod enje zavisi samo od definicije (4.16) i osobine za bijekcije, date u (4.15). Svakoj matrici R = [R ij ] iz B dodeljujemo relaciju R na skupu U koju definišemo sa R ij = {R ij : i, j < κ}. (4.22) Moramo imati u vidu da je R ij relacija iz C, a Rij njena kopija koja je podrelacija u pravougaoniku G i G j. Dakle, za svake i i j pravimo kopiju koja je ispod G i G j u ij-toj komponenti u matrici R, i uzimamo da je R disjunktna unija ovih kopija komponenata iz R. Kako su pravougaonici G i G j uzajamno disjunktni, funkcija koja slika svaku matricu R u relaciju R je injekcija iz B u Re(U). Pomoću jednakosti (4.17)-(4.21) vidimo da su sledeće jednakosti tačne za sve matrice R = [R ij ], S = [S ij ] i T = [T ij ] iz B: R S = T, gde je T ij = R ij Sij, (4.23) R = T, gde je T ij = R ij, (4.24) R S = T, gde je T ij = k (R ik S kj ), (4.25) (R ) 1 = T, gde je T ij = R 1 ij, (4.26) id U = T, gde je T ij = T ij = id G ili T ij =, (4.27) Poslednja sa obzirom da li je i = j ili je i j. Proverićemo jednakost (4.25), dok se ostale proveravaju analogno: R S = ( ij R ij) ( ij S ij) = ijkl(r ik S lj) = (Rik Skj) = ijk ij = Tij = T. ij (Rik Skj) k Pored enjem jednakosti (4.11)-(4.14) sa (4.23)-(4.26) i definicijom jedinične matrice u B sa (4.27) vidimo da funkcija koja slika R u R, za svaku matricu R B, očuvava operacije iz B i očuvava proizvoljne sume iz B kao unije, pa je preslikavanje kompletno utapanje B u Re(U). Sliku ovog utapanja, koje je kompletna podalgebra od Re(U) i sadrži sve relacije oblika R, za R iz B, zvaćemo κ-ta subpower od C. Argument koji smo upravo naveli pokazuje da je k-ta matrična relaciona algebra nad C izomorfna sa κ-tom subpower od C. Uočimo da je ova subpower prosta, jer je kompletna podalgebra proste

54 skupovne relacione algebre Re(U), i atomična, uvek kada je C atomična i njeni atomi su kopije ispod G i G j, za svaki par i, j < κ, atoma iz C. Specijalno, ako je C Cayleyeva reprezentacija grupe G, takva da je C = Ca(G), tada je k-ta subpower od C prosta, kompletna i atomična relaciona algebra sa funkcionalnim atomima. Algebra kompleksa Cm(G) je kanonički izomorfna sa Ca(G), po Cayleyevoj reprezentaciji, pa je odatle k-ta matrična relaciona algebra nad Cm(G) kanonički izomorfna sa k-tom matričnom relacionom algebrom nad Ca(G). Poslednja je izomorfna sa k-tom subpower od Ca(G), po oznakama iz prethodnog pasusa. Sumirajmo šta smo do sada uradili. Teorema 4.16 Za svaku grupu G i svaki kardinalni broj κ > 0, κ-ta matrična relaciona algebra nad Cm(G) je prosta, kompletna i atomična relaciona algebra sa funkcionalnim atomima. Izomorfna je sa k-tom subpower od Ca(G), pa je i kompletno reprezentabilna. Sledeća teorema i njena posledica kažu da su, do na esencijalni izomorfizam, algebre iz prethodne teoreme jedine proste relacione algebre koje su atomične sa funkcionalnim atomima. Teorema 4.17 Prosta relaciona algebra je kompletna i atomična sa funkcionalnim atomima ako i samo ako je izomorfna sa κ-tom matričnom relacionom algebrom nad Cm(G) ili, što je ekvivalentno, sa κ-tom subpower od Ca(G), za neki kardinalni broj κ > 0 i neku grupu G. 52 Dokaz. Vidi [1]. Posledica 4.18 Prosta relaciona algebra je atomična sa funkcionalnim atomima ako i samo ako je esencijalno izomorfna sa matričnom relacionom algebrom, nad algebrom kompleksa neke grupe G, ili, ekvivalentno, sa subpower od Ca(G).

55 4.4 Alternativni opis atomičnih relacionih algebri sa funkcionalnim atomima 53 U ovom delu daćemo drugačiji opis za proste relacione algebre koje su atomične sa funkcionalnim atomima. Taj opis će nas u sledećem poglavlju dovesti do konstrukcije klase primera prostih relacionih algebri koje su funkcionalno guste i koje su bez atoma. Posmatrajmo grupu (G,, 1, ι) i njenu proizvoljnu podgrupu H. Desni koseti od H su skupovi oblika H g = {h g : h H}, za g G, i oni formiraju particiju na G. Broj ovakvih desnih koseta nazivamo indeks podgrupe H. R f = {(g, g f) : g G}, za svako f G, je Cayleyeva reprezentacija, koja je permutacija skupa G. Cayleyeva reprezentacija elementa iz G formira particiju na G G. Svaka Cayleyeva reprezentacija preslikava svaki desni koset od H bijektivno u drugi koset od H. Preciznije, R f slika koset H g, bijektivno, u koset H g f, jer R f (h g) = h g f, za svaki element h H. Različite restrikcije R f na desne kosete od H su, odatle, bijekcije izmed u ovih koseta. Ako je K takav koset, pišemo R f K, za restrikciju R f na K. Lema 4.19 Neka je G grupa i H podgrupa grupe G. Skup svih restrikcija Cayleyeve reprezentacije R f (za f G) na desne kosete od H je skup atoma (proste) podalgebre algebre Re(G), koja je kompletna i atomična sa funkcionalnim atomima. Dokaz. Neka je W skup restrikcija Cayleyevih reprezentacija elemenata iz G na desne kosete od H. Proverom potvrd ujemo da važe uslovi teoreme 3.7 (za detalje vidi [1]). Koristeći teoremu 3.7 zaključujemo da je skup svih unija podskupova iz W kompletan poduniverzum od Re(G) i atomi ovog poduniverzuma su relacije u W. Svaka od ovih relacija je bijekcija, pa je odgovarajuća kompletna podalgebra od Re(G) atomična sa funkcionalnim atomima. Podalgebra je prosta, jer je Re(G) prosta, a podalgebra proste relacione algebre je prosta (vidi tvrd enje 2.42). Označimo podalgebru iz prethodne leme sa F(G, H). Kada je H cela grupa, to jest G = H, ova podalgebra je zapravo Cayleyeva reprezentacija Ca(G) grupe algebre kompleksa Cm(G). Drugi ekstrem, kada je H = {ι}, podalgebra se poklapa sa skupovnom relacionom algebrom Re(G). Iz teoreme 4.17 i prethodne leme sledi da je F(G, H) izomorfno sa matričnom relacionom algebrom nad algebrom kompleksa neke grupe. Teorema 4.20 Ako je G grupa i H njena podgrupa indeksa κ, tada je F(G, H) izomorfno κ-toj matričnoj relacionoj algebri nad Cm(H) ili, ekvivalentno, κ-toj subpower od Ca(H). Dokaz. Vidi [1]. Sada se lako proverava da su relacione algebre F(G, H) dovoljne da reprezentuju sve proste relacione algebre koje su kompletne i atomične sa funkcionalnim atomima. Teorema 4.21 Prosta relaciona algebra je kompletna i atomična sa funkcionalnim atomima ako i samo ako je izomorfna sa relacionom algebrom oblika F(G, H), za neku grupu G i neku njenu podgrupu H.

56 54 Dokaz. Vidi [1]. Posledica 4.22 Prosta relaciona algebra je atomična sa funkcionalnim atomima ako i samo ako je esencijalno izomorfna sa F(G, H), za neki grupu G i neku njenu podgrupu H. Konstrukcija algebri F(G, H) daje nam uvid u konstrukciju prostih, neintegralnih relacionih algebri koje su atomične sa funkcionalnim atomima. Krenemo od algebre kompleksa grupe G, koja je integralna relaciona algebra. Kao što smo već pokazali, Cm(G) je izomorfno Cayleyevoj reprezentaciji Ca(G), koje se poklapa sa F(G, G). Tada delimo svaki atom- i posebno svaki podjedinični atom- u Ca(G) u nekoliko delova uvodeći odgovarajuću podgrupu H da formiramo F(G, H). Tačan broj delova u koje se svaki atom deli zavisi od indeksa H u G. Ekstremni slučaj, kada je H = {ι}, završava se skupovnom relacionom algebrom Re(G) ali, generalno, dobijamo prostu, neintegralnu atomičnu relacionu algebru sa funkcionalnim atomima koja leži izmed u Ca(G) i Re(G). 4.5 Funkcionalno guste relacione algebre bez atoma Problem opisa svih prostih, funkcionalno gustih relacionih algebri je i dalje otvoren. Ovde će biti izložena konstrukcija jedne zanimljive klase primera i zatim razmatran jedan konkretan primer konstrukcije. Vraćamo se relacionim algebrama F(G, H) konstruisanim u prethodnom poglavlju. Algebra F(G, H) je atomična po lemi Da bismo konstruisali algebru bez atoma neophodno je da uspostavimo vezu izmed u F(G, H) i F(G, K), za različite podgrupe H i K grupe G. Lema 4.23 Ako je H podgrupa grupa grupe G i K podgrupa grupe H, tada je F(G, H) odgovarajuća podalgebra algebre F(G, K) i svaki atom iz F(G, H) je podeljen u F(G, K) u uniju onoliko atoma koliki je indeks K u H. Dokaz. Pretpostavimo da je K indeksa κ u H, to jest, pretpostavimo da K ima κ desnih koseta u H (gde je κ kardinalni broj). Za svaki desni koset H pogrupe H u G postoji κ različitih desnih koseta K u G, koji su sadržani u H, i H je unija ovih desnih koseta. Odatle: R f H = {R f K : K je deni koset od K i K H }. Sledi da je svaki atom u F(G, H) unija κ atoma iz F(G, K). Kako je F(G, K) zatvorena za unije, svaki atom- pa i svaki element- u F(G, H) pripada F(G, K). Obe algebre su kompletne podalgebre algebre Re(G), pa su operacije u F(G, H) i F(G, K) restrikcije odgovarajućih operacija u Re(G). Zaključak: F(G, H) je kompletna podalgebra algebre F(G, K). To je odgovarajuća podalgebra jer ni jedan atom u F(G, K) ne pripada F(G, H). Nazovimo (beskonačan) skup (H i : i I) podgrupa grupe G strogo na dole usmeren sistem ako za svaki par indeksa i i j postoji indeks k takav da je H k prava podgrupa od H i i od H j. Uzimajući da je i = j pokazuje se da svaka podgrupa u skupu ima odgovarajuću podgrupu u sistemu.

57 Teorema 4.24 Ako je (H i : i I) strogo na dole usmeren sistem podgrupa grupe G, tada je (F(G, H i ) : i I) (strogo na gore) usmeren sistem kompletnih podalgebri algebre Re(G). Unija ovog sistema je (prosta) podalgebra od Re(G) koja je funkcionalno gusta i bez atoma. Dokaz. Lema 4.19, prethodna lema i hipoteza da je (H i : i I) strogo na dole usmeren sistem podalgebri algebre G, implicira da je 55 (F(G, H i ) : i I) (4.28) sistem kompletnih podalgebri algebre Re(G) koji je strogo (na gore) usmeren sistem, u smislu da za svaki par indeksa i i j postoji indeks k takav da su (F(G, H i ) i (F(G, H j ) odgovarajuće podalgebre algebre (F(G, H k ). Unija sistema u (4.28)- zvaćemo je U- je podalgebra algebre Re(G) (jer je unija usmerenog sistema podalgebri uvek podalgebra). Specijalno, U mora biti prosta jer je Re(G) prosta. Da bismo pokazali da je U bez atoma posmatrajmo proizvoljnu, nenula relaciju R iz U. Kako je U unija sistema iz (4.28), relacija R mora pripadati F(G, H i ), za neki indeks i. Odatle, R mora biti iznad nekog atoma S u atomičnoj algebri F(G, H i ). Neka je k indeks iz I takav da je H k odgovarajuća podgrupa grupe H i, koja ima κ koseta u H i (2 κ). Relacije R i S pripadaju F(G, H k ) i S je podeljeno u uniju κ atoma iz (F(G, H k ), po prethodnoj lemi. Odatle, R ne može biti atom u (F(G, H k ), pa ne može biti ni atom u R. Konačno, U je funkcionalno gusta jer unija proizvoljnog usmerenog sistema funkcionalno gustih relacionih algebri je funkcionalno gusta. Detaljnije, nenula relacija R iz U pripada F(G, H i ) za neki indeks i, pa je iznad nenula funkcije T iz F(G, H i ), zbog funkcionalne gustine F(G, H i ). Relacija T pripada U, pa je R iznad nenula funkcije T u U. Kao konkretan primer konstrukcije iz prethodne teoreme uzmimo da je G grupa Z celih brojeva sa sabiranjem i H 0 = Z. U ovom slučaju F(Z, H 0 ) je upravo Cayleyeva reprezentacija grupe algebre kompleksa Cm(G). Atomi u F(Z, H 0 ) su Cayleyeve reprezentacije celih brojeva k, to jest, to su funkcije R k, definisane sa R k (m) = m + k, za svaki ceo broj m. Operacije relacione inverzije i relacione kompozicije na atomima iz F(Z, H 0 ) definisane su formulama R 1 k = R k i R k R l = R k+l, za cele brojeve k i l. Neka je H 1 podgrupa grupe Z koja sadrži parne brojeve. Koseti od H 1 su skupovi oblika K i = {m Z : m i(mod 2)}, za i = 0, 1, to jest, to su skupovi parnih i neparnih brojeva. Atomi u algebri F(Z, H 1 ) su restrikcije R k K 0 i R k K 1, za cele brojeve k. Za i = 0, 1, funkcija R k preslikava koset K i bijektivno u koset K i, kada je i parno, a K i bijektivno preslikava u K 1 i, kada je i neparno. Svaki atom R k u F(Z, H 0 ) je podeljen u uniju dva atoma R k K 0 i R k K 1, u F(Z, H 1 ). Inverzni elementi od atoma u F(Z, H 1 ) dati su formulama (R k K i ) 1 = R k K i i (R k K i ) 1 = R k K 1 i, u zavisnosti od toga da li je k paran ili neparan. Na primer, (R 4 K 1 ) 1 = R 4 K 1 i (R 3 K 1 ) 1 = R 3 K 0. Kompozicija dva atoma u F(Z, H 1 ) data je formulama (R k K i ) (R l K i ) = R k+l K i i (R k K i ) (R l K 1 i ) =, kada je i paran, a sa (R k K i ) (R l K i ) = i (R k K i ) (R l K 1 i ) = R k+l K i, kada je i neparan. Na primer, (R 5 K 0 ) (R 4 K 0 ) = i (R 5 K 1 ) (R 4 K 0 ) = R 9 K 1.

58 Neka je sada H 2 podgrupa grupe Z koja sadrži brojeve deljive sa 4. Koseti od H 2 su skupovi K ij = {m Z : m ij(mod 4)}, gde je svaki od i i j ili 0 ili 1, to jest, ij je binarni zapis brojeva izmed u 0 i 3. Na primer, ako je i = j = 1, tada je ij binarni zapis broja 3 i K 11 = {m Z : m 3(mod 4)}. Atomi relacione algebre F(Z, H 2 ) su restrikcije R k K ij. Ako su ij, i j i i, j, respektivno, binarni zapisi ostataka pri deljenju sa 4 brojeva k, l, m i ako je ij + i j = i j u binarnoj aritmetici po modulu 4 (tako da je k + l m(mod 4)), tada funkcija R k preslikava koset K i j, bijektivno, u koset K i j. Na primer, kada je k kongruentno sa 3 po modulu 4, funkcija R k bijektivno preslikava K 00 u K 11, K 01 u K 00, K 10 u K 01 i K 11 u K 10 jer, binarni zapis broja 3 je 11, pa imamo 00+11=11, 01+11=00, 10+11=01 i 11+11=10, u binarnoj aritmetici, po modulu 4. Atom (R k K i ) iz F(Z, H 1 ) deli se na uniju dva atoma (R k K 0i ) i (R k K 1i ) u F(Z, H 2 ). Na primer, skup K 1 neparnih brojeva je disjunktna unija skupa K 01 brojeva kongruentnih sa 1 po modulu 4 i skupa K 11 brojeva kongruentni sa 3 po modulu 4, pa je atom (R 7 K 1 ) iz F(Z, H 1 ) podeljen u uniju dva atoma (R 7 K 01 ) i (R 7 K 11 ) u F(Z, H 2 ). Formule za izračunavanje inverznih elemenata i relacionih kompozicija atoma iz F(Z, H 2 ) su slične kao formule za F(Z, H 1 ), ali su komplikovanije da se izraze uopšteno. Par primera trebalo bi da bude dovoljno da ilustruju glavnu ideju. Funkcija R 7 slika K 10 u K 01, a funkcija R 6 slika K 10 u K 00, pa je (R 7 K 10 ) 1 = R 7 K 01 i (R 6 K 10 ) 1 = R 6 K 00. Takod e, (R 7 K 10 ) (R 6 K 01 ) = R 13 K 10 i (R 7 K 10 ) (R 6 K ij ) =, ako je i 0 ili j 1. Generalno, neka je H n podgrupa grupe Z koja sadrži brojeve deljive sa 2 n. Koseti od H n su skupovi K a = {m Z : m a(mod 2 n )}, gde je a niz od n nula i jedinica koji je binarni zapis za brojeve izmed u o i 2 n 1. Na primer, 101 je binarni zapis broja 5, pa je K 101 koset podgrupe H 3 koji sadrži brojeve koji su kongruentni sa 5 po modulu 8. (U ovom primeru n = 3, pa je 2 n = 8). Ako je broj k kongruentan sa 6 po modulu 8, tada funkcija R k preslikava koset K 101 bijektivno u koset K 011. Atom R k K a iz F(Z, H n ) deli se u uniju dva atoma R k K 0a i R k K 1a u F(Z, H n+1 ). Na primer, atom R k K 101 iz F(Z, H 3 ) deli se u uniju dva atoma R k K 0101 i R k K 1101 u F(Z, H 4 ). Niz H 0, H 1, H 2,... formira strogo na dole usmeren lanac podgrupa grupe Z, pa niz F(Z, H 0 ), F(Z, H 1 ), F(Z, H 2 ),... formira strogo na gore usmeren lanac kompletnih podalgebri algebre Re(Z). Unija ovog rastućeg lanca je primer proste, funkcionalno guste, bezatomne podalgebre algebre Re(Z). 4.6 Funkcionalno guste relacione algebre sa Booleovom algebrom idealnih elemenata bez atoma U prethodnom poglavlju videli smo neke primere funkcionalno gustih relacionih algebri bez atoma. Dati primeri su proste algebre, pa odatle sledi da su njihove Booleove algebre idealnih elemenata dvoelementne. Znamo iz teoreme 4.9 da proizvoljna funkcionalno gusta relaciona algebra može imati jedan faktor bez atoma koji je funkcionalno gust i ima Booleovu algebru idealnih elemenata bez atoma. Problem opisivanja svih funkcionalno gustih relacionih algebri sa Booleovom algebrom idealnih elemenata bez atoma je, takod e, još uvek otvoren. 56

59 Ponovo se zadovoljavamo predstavljanjem klase primera i zatim prelazimo na konkretan primer. Počinjemo sa proizvoljnom relacionom algebrom U i prozvoljnim beskonačnim skupom I. Za konkretizaciju uzećemo da je I skup prirodnih brojeva, samo zato što to pojednostavljuje zapis. Posmatrajmo Iti direktan proizvod U I. Definišemo strogo rastući niz B 0, B 1, B 2,... podalgebri algebre U I, sa osobinom da se svaki element iz B n u B n+1 deli na sumu bar dva disjunktna nenula elementa. Fiksirajmo prirodan broj n. Za svaki element r, iz konačnog proizvoda U 2n, definišemo element r u beskonačnom proizvodu U I, sa r(i) = r j, gde je 0 j 2 n i i j(mod 2 n ). Na primer, ako je n = 0, tada je r funkcija sa domenom {0} i r 0 = p je element iz U, tako da važi r = (p, p, p,... ). Ako je n = 1, r je funkcija sa domenom {0, 1}, a r 0 = p i r 1 = q su elementi iz U, pa u ovom slučaju je r = (p, q, p, q,... ). Generalno, r je element u U I dobijen nastavljanjem r na samog sebe beskonačno mnogo puta. Skup B n elemenata oblika r, za r iz U 2n, je poduniverzum od U I. Zaista, B n sadrži identički element 1 = (1, 1, 1,... ), u U I, i B n je zatvoren za operacije iz U I jer su ove operacije definisane po koordinatama sa: r + ŝ = t, za t = r + s, r = t, za t = r, r; t = ŝ, za t = r; s, r = t, za t = r. (Operacije levo izvode se u U I, a one desno u U 2n.) Podalgebra algebre U I, čiji je univerzum B n - obeležavaćemo je sa B n - je izomorfna sa U 2n, i to izomorfizmom koji r preslikava u r, za svaki element r iz U 2n. Odatle imamo da B n nasled uje sve osobine od U 2n. Na primer, ako je r idealni element u U 2n, tada je r idealni element u B n. Takod e, ako U ima osobinu neke gustoće, kao što je funkcionalna, tada je ima i U 2n, pa i B n. Svaki element iz B n pripada B n+1. Zaista, ako je r element iz U 2n i ako je s element iz U 2n+1, definisan sa s i = r j, za 0 j 2 n i i j(mod 2 n ) (pa je s element nastao nadovezivanjem r na samog sebe), tada se element r iz B n poklapa sa elementom ŝ iz B n+1. Operacije u B n i B n+1 su, po definiciji, restrikcije odgovarajućijh operacija iz U I. Sledi da B n mora biti podalgebra algebre B n+1. Svaki nenula element r iz B n je podeljen u B n+1 na zbir dva disjunktna nenula elementa. Zaista, ako je s element iz U 2n+1, koji je upravo definisan (tako da je r = ŝ), i ako su t i u elementi iz U 2n+1 definisani sa: { si, ako je 0 i < 2 t i = n, 0, ako je 2 n i < 2 n+1 i, { 0, ako je 0 i < 2 u i = n, s i, ako je 2 n i < 2 n+1, tada su t i u nenula elementi iz U 2n+1, koji su disjunktni i imaju s za njihov zbir. Sledi da su t i û nenula elementi iz B n+1, koji su disjunktni i imaju ŝ za njihov zbir. Kako je ŝ koincidentno sa r, r možemo zapisati kao disjunktan zbir nenula elemenata t i û. Primetimo da ako je r nenula idealni element iz U 2n, tada su t i u idealni elementi u U 2n+1, i zato je nenula idealni element r iz B n podeljen u B n+1 na zbir dva disjunktna nenula idealna elementa t i û. 57

60 Niz B 0, B 1, B 2,... formira strogo rastući lanac podalgebri algebre U I sa osobinom da je svaki nenula element u B n podeljen u zbir dva disjunktna nenula elementa iz B n+1, a svaki nenula idealni element u B n je podeljen u zbir dva disjunktna nenula idealna elementa iz B n+1. Dalje sledi da ako U ima osobinu neke gustine, kao što je funkcionalna, tada je ima i svaka B n algebra u lancu, i unija lanca nasled uje ovu osobinu gustine. Teorema 4.25 Ako je U netrivijalna relaciona algebra i I skup prirodnih brojeva, tada je unija lanca B 0, B 1, B 2,..., podalgebri algebre U I (konstruisanih u prethodnom razmatranju), podalgebra algebre U I, koja je bez atoma i nema idealnih atoma. Ako je U funkcionalno gusta, tada je i unija lanca funkcionalno gusta. Da bismo dobili konkretan primer fukncionalno guste relacione algebre koja nema idealnih atoma uzmimo da je U bilo koja prosta, funkcionalno gusta relaciona algebra (atomična ili bez atoma) ili neprazan proizvod takvih algebri. Na primer, U može biti algebra kompleksa neke fiksne grupe. 58

61 Glava 5 Zaključak Videli smo da pitanje reprezentabilnosti relacionih algebri uopšte nije trivijalno. U uvodnom delu o mrežama data je teorema sa dokazom da je svaka distributivna mreža izomorfna sa podmrežom partitivnog skupa P (A), za neki skup A. Isto tako za Booleove algebre dat je dokaz da se svaka Booleova algebra može utopiti u neku Booleovu skupovnu algebru. A poznata je i Cayleyeva teorema o reprezentabilnosti grupa, koja kaže da je svaka grupa izomorfna sa nekom grupom permutacija. Zašto se za relacione algebre ne može dokazati slična teorema o reprezentabilnosti? Američki matematičar Lyndon uspeo je godine da konstruiše algebru koja je zadvoljavala sve aksiome Tarskog, ali nije izomorfna ni jednoj algebri binarnih relacija. Lyndon je pronašao nereprezentabilnu relacionu algebru. Da li na operacije unije, preseka, komplementa, proizvoda i inverzije možemo dodati još neke operacije na skupu binarnih relacija? B. Bíró i R. Maddux su dokazali da ne postoji ni jedno konačno lepo proširenje jezika relacionih algebri tako da klasa reprezentabilnih algebri ima konačnu bazu identiteta. S obzirom na ovakvo stanje stvari napravljen je drugačiji pristup reprezentabilnosti relacionih algebri, preko algebri kompleksa i atomičnih struktura. U skladu sa tim pristupom u radu je navedena teorema o reprezentabilnosti atomičnih relacionih algebri, kod kojih je svaki atom funkcionalni element. Još jedna klasa relacionih algebri koje su reprezentabilne su funkcionalno guste relacione algebre. Pored teoreme koja to dokazuje, u radu je naveden i jedan strukturni opis za proste, funkcionalno guste relacione algebre koji dokazuje da su one ili atomične ili bez atoma. Takod e, data je i teorema o dekompoziciji funkcionalno gustih relacionih algebri. U poslednjim poglavljima ovaj rad se bavi opisivanjem, kako funkcionalno gustih relacionih algebri (atomičnih sa funkcionalnim atomima ili bez atoma), tako i funkcionalno gustih relacionih algebri sa Booleovom algebrom idealnih elemenata bez atoma. Relacione algebre su nezgodne pa se postavlja pitanje šta se dobija za uzvrat. Chin i Tarski su godine uočili da relacione algebre mogu zauzeti značajno mesto u matematičkim istraživanjima. U njihovom radu navedeno je: Izvodljivost matematičkog tvrd enja iz datog skupa aksioma može se svesti na pokazivanje da neka jednakost važi u svakoj relacionoj algebri identički. 59

62 Tu ideju su Taski i Givant i realizovali u svojoj knjizi A Formalization of Set Theory Without Variables. Tu je dat jedan nov formalizam koji ne sadrži promenljive, kvantifikatore, iskazne veznike, a usko je povezan sa jednakosnom teorijom relacionih algebri. Pokazalo se da se teorija skupova i aritmetika mogu formulisati na ovom formalizmu, što samo govori o tome koliko je on zapravo jak. 60

63 Literatura [1] Andreka, H., Givant, S.: Functionally dense relation algebras, Algebra Universalis, Vol 68, No 1-2, pp (2012) [2] Chin, L.H., Tarski, A.: Distributive and modular laws in the arithmetic of relation algebras. Univ. California Publ. Math. (N.S) 1, (1951) [3] Givant, S.: The Structure of Relation Algebras Generated by Relativizations. Contremporary Mathematic, vol American Mathematical Society, Providense (1994) [4] Hirish, R., Hodkinson, I.: Complete reprezentations in algebraic logic. J. Symbolic Logic 62, (1997) [5] Hirsch, R., Hodkinson, I.: Relation Algebars by Games. Studies in Logic and the Fundations of Mathematic, vol North-Holland, Amsterdam (2002) [6] Hodkinson, I.: Atom structures of cylindric algebras and relation algebras. Ann. Pure Appl. Logic 89, (1997) [7] Jónsson, B.: Relation algebras and Schroder categories. Discrete Math. 70, (1988) [8] Jónsson, B.: The Theory of Binary Relations, u Andreka, H., Monk, J.D., and Nemeti, I.(eds): Algebraic logic (Proc. Conf. Budapest 1988), Vol 54 of Colloq. Math. Soc. J. Bolyai, North-Holland, (1991) [9] Jónsson, B., Tarski, A.: Boolean algebras with operators. Part I. Amer. J. Math. 73, (1951) [10] Jónsson, B., Tarski, A.: Boolean algebras with operators. Part II. Amer. J. Math. 74, (1952) [11] Madarasz, Sz., R.: Od skupova do univerzalnih algebri. Prorodnomatematički fakultet, Departman za matematiku i informatiku, Novi Sad (2006) [12] Madarasz, Sz., R., Crvenković, S.: Relacione algebre. Matematički institut, Beograd (1992) [13] Maddux, R.D.: Some sufficient conditions for the representability of relation algebras. Algebra Universialis 8, (1978) 61

64 [14] Maddux, R.D., Tarski, A.: A sufficient condition for the representability of relation algebras. Notices Amer. Math. Soc. 23, A-447 (1976) [15] Monk, J.D.: Completions of Boolean algebras with operators. Math. Nachr. 46, (1970) [16] Schmidt, G., Strohlein, T.: Relations and Graphs. Discrete Mathematics for Computer Scientists. Springer, Heidelberg (1993) [17] Šešelja, B., Tepavčević, A.: Bulove algebre i funkcije. Prirodnomatematički fakultet, Departman za matematiku i informatiku, Novi Sad (2005) [18] Tarski, A., On the calculus of relations, J. Symbolic Logic 6 (1941),

65 Biografija Ivan Prokić rod en je 7. septembra godine u Šapcu. Osnovnu školu Nikola Tesla, u Dublju, završio je godine. Godine završava Mačvansku srednju školu, u Bogatiću, i iste godine upisuje osnovne studije na Prirodno-matematičkom fakultetu u Novom Sadu, smer matematika (M1). Godine upisao je master studije na istom fakultetu, smer matematika (MA). Položio je sve ispite predvid ene nastavnim planom i programom i time stekao pravo na odbranu ovog rada. u Novom Sadu, oktobra Ivan Prokić 63